复合材料盒段结构屈曲稳定性分析及优化技术

随着计算机科学和有限元技术的发展,屈曲稳定性问题有限元数值求解技术已经比较成熟,但是在大型飞机结构工程应用中还是由于计算量大、收敛困难而受到限制.特别是在需要反复迭代计算的优化过程中,更是受到该问题的困扰.针对飞机机翼结构中的典型盒段结构,本文研究了基于ANSYS子模型的考虑线性屈曲稳定性约束的优化方法,以及非线性数值计算技术.研究表明,在相同精度要求的条件下,位移求解模型所需网格尺寸可远大于屈曲稳定性模型.本文利用验证结论,采用网格尺寸100mm建立粗模型进行位移求解并确定危险部位,采用网格尺寸10mm建立子模型进行屈曲稳定性求解,从而完成全结构的优化设计.此方法计算效率高,在非线性屈曲稳定性求解以及优化迭代计算中优势明显.     

复合材料层合板的非线性后屈曲分析

应用能量变分方法，对多向辅设的复合材料层合板结构进行了后屈曲分析，在分析中计及了几何非线性和物理非线性的影响，导出了层合板结构的总势能表达式，最后获得在面内纵向压缩载荷下的非线性后屈曲控制方程，通过对几种碳／环氧复合材料层合板铺导情况的编程计算，得到了不同的经典临界值Ｐ１及其后屈曲平衡位形曲线，即Ｐ１／Ｐ１α～Ｗ１／Ｈ曲线，并总结出一些带有规律性的结论。     

方板对角拉伸诱导压应力的分析

利用有限元法分析方板在单向和双向对角拉伸条件下诱导压应力的变化规律。计算和实验表明,施加横向拉力,实现双轴向拉伸,能明显减小横向诱导压应力及其分布范围,从而抑制皱曲的发生和发展。     

圆截面空间曲杆的屈曲

采用自然坐标系对空间曲杆进行有限元建模,给出了自然坐标系下的三维细长空间曲杆的格林应变计算公式和能量方程,建立了2节点12个自由度的三维曲梁单元并用其分析了同时受轴向力和轴向扭矩作用的具有初始曲率和挠率的三维空间曲杆的屈曲问题。算例证明了公式和方程的正确性和合理性。数值结果与现有的理论解相吻合,收敛性却比商用有限元软件的结果好。数值结果还表明,扭矩对屈曲的影响不可不计。     

受压脱层层板的有限元分析

受压复合材料脱层层合板的局部屈曲,在脱层尖端引起很大的应力集中,导致脱层扩展而发生破坏。本文利用一阶剪切的直线层板理论和折线层板理论,建立了一维受压脱层层合板的分析模型,进而根据虚裂纹闭合技术,得出了脱层尖端能量释放率各型分量G_Ⅰ,G_Ⅱ,G_Ⅲ的一维有限元计算表达式,并且验证了该方法的正确性。通过数值计算,讨论了外载、脱层长度和层板纤维铺层方向对能量释放率的影响。结果表明,脱层的扩展取决G_Ⅰ和G_Ⅱ,而C_Ⅲ的影响可以忽略不计。对于外载较大时发生的脱层扩展,很可能诱发层板的整体失稳,脱层的扩展将变成破坏性的快速扩展。     

基于Kriging代理模型的锥柱形膜片屈曲载荷计算

基于Kriging代理模型,建立了一种考虑膜片半径与厚度、锥段高度与角度等典型结构特征的计算屈曲载荷的工程方法,并选取典型样本点对模型进行了数值验证.结果表明:基于Cubic相关函数建立的Kriging代理模型预测未知样本点屈曲载荷误差控制在5%以内,较常用的Gauss相关函数更适合建立锥柱形膜片屈曲载荷的Kriging代理模型;此代理模型能准确计算未知样本点的屈曲载荷,减少了繁杂的有限元建模与计算过程;根据设定的屈曲载荷,代理模型可计算各典型特征的参数值,并可作为锥柱形膜片结构优化设计的约束函数或目标函数.      

一种V形梁结构的双稳态惯性开关

 利用V形梁结构的双稳态跳转特性,设计了一种具有显著阈值特性的双稳态惯性开关,并建立了阻尼力、惯性力、弹性力及触点碰撞力等多力耦合作用下的开关动力学模型。开关结构主要由触点、弹性元件及其支撑的惯性质量块构成。动态仿真及实验结果表明开关具有良好的阈值特性。采用离心测试装置测得开关闭合阈值为9.6g,与设计值10g的偏差仅为4％,断开阈值为-3.1g,开关响应时间低于5 ms, 闭合后在零惯性力作用下仍能使开关保持闭合状态,验证了V形梁结构惯性开关设计理论的有效性和可行性,因而在航空、航天及汽车电子安全领域具有广阔的应用前景。     

加筋壁板结构非线性屈曲数值分析研究

应用非线性有限元分析技术采用ANSYS10.0有限元计算软件细致研究了飞机加筋壁板结构在受压状态下的非线性变形及稳定性特性,考虑了不同边界条件、不同加载方式以及不同筋条厚度对特征值屈曲分析临界栽荷的影响.并比较了非线性分析下结构的临界屈曲载荷与线性屈曲分析下的临界屈曲载荷.同时提取板上不同位置上节点的位移/加载曲线,面外挠度/加载曲线,等效应力/加载曲线,对结构非线性特性进行了细致分析和讨论.并以面外挠度为纵坐标得出了长截面与短截面的屈曲波形图,细致表现了加筋板的非线性屈曲形态与规律.     

复合材料格栅结构屈曲特性分析

复合材料格栅结构是由连续纤维缠绕的斜向及环向肋和蒙皮组成的结构.基于Mindlin一阶剪切变形理论下的层合板和层合梁单元,模拟格栅结构的蒙皮和肋骨,通过空间坐标变换和利用蒙皮和肋骨的几何连续条件,获得了复合材料格栅结构的单元切线刚度阵,并给出了复合材料格栅结构的屈曲有限元数值模拟方法.通过对设计状态的复合材料格栅结构的计算分析,并与实际轴压试验结果比对,,证明该计算方法可行,能够满足结构屈曲特性分析的要求.     

复合材料格栅加筋板布局优化设计

采用遗传算法在总体屈曲约束条件下对复合材料格栅加筋板进行布局优化设计。采用一种参数化的平铺等效刚度计算方法,用于分析格栅加筋板的总体屈曲。最后通过有限元分析对优化结果的有效性进行验证。设计变量为轴向和横向的筋条间距、筋条高度和厚度,筋条的布局。该方法适用于在给定板的全部可选尺寸参数,面内设计载荷,边界条件,材料属性条件下,对复合材料格栅加筋板进行质量最轻的布局优化。