复合材料梁腹板开孔补强设计及有限元稳定性分析

复合材料梁结构由于工艺性、维护性等要求,结构梁腹板中出现开孔不可避免,不同形式的开孔有着不同承载能力。通过对梁腹板结构不同形式的开孔在剪切载荷下屈曲分析研究,得到屈曲载荷,分析不同开孔补强形式对结构承载的影响,以期为梁、肋等结构开孔补强设计提供补强形式选择和参考。     

复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计

为了充分利用复合材料加筋板的后屈曲承载能力,针对复合材料加筋板的后屈曲行为开展优化设计方法的研究具有重要意义。详细探讨了筋条尺寸及密度等参数对承受面内剪切载荷作用下的复合材料双向加筋板屈曲后屈曲的影响规律。建立了复合材料加筋板考虑后屈曲响应的结构分级优化方法:在一级优化中以结构几何尺寸为设计变量,使用响应面法(RSM)拟合出结构后屈曲响应的全局近似函数,结果显示,加筋缘条的宽度及加筋的密度对屈曲承载能力有重要影响;在二级优化中采用遗传算法(GA)对复合材料铺层顺序进行优化,经过两级优化后的复合材料加筋板相比于初始设计在质量减少了3%的同时,线性屈曲位移提高了8.86倍,线性屈曲模态由局部屈曲改善为整体屈曲,同时结构的后屈曲承载能力提高了8.7%。基于解决旅行商问题(TSP)的遗传算法被调整用于固定铺层厚度的复合材料铺层顺序优化问题,经优化,结构线性屈曲特征值提高了12.76%,表明了优化方法的可行性。     

双面贴补层合板压缩屈曲渐进损伤分析

贴补复合材料层合板在压缩载荷作用下的屈曲破坏强度及其损伤演化过程对于复合材料结构修理具有重要意义。本文基于应变和黏聚区模型(CZM)建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,引入复合材料与胶层的损伤判据和刚度退化方案,计算了结构屈曲强度。数值仿真结果和实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下双面贴补复合材料层合板的屈曲损伤演化过程,并讨论了补片参数对结构屈曲强度的影响。研究结果表明:双面贴补复合材料层合板屈曲后,处于拉伸和压缩状态下的铺层中的损伤程度存在差异;增大补片直径与厚度可以在一定程度上提高双面贴补复合材料层合板的屈曲强度。     

地震荷载作用下考虑杆件屈曲的单层球面网壳结构整体稳定性研究

在地震荷载作用下,关于网壳结构整体稳定性的研究是空间结构研究的重要课题之一。目前,在地震荷载作用下,对于网壳结构整体稳定性的研究很少有考虑杆件缺陷这一影响因素的。本文利用多段梁法建立具有杆件缺陷的K8型网壳结构模型,通过削弱不同位置处的杆件,使其先于网壳结构整体失稳之前首先屈曲,重点研究在三向地震荷载作用下,不同位置处的杆件屈曲对网壳结构整体稳定性的影响。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲强度

考虑到点阵芯层的结构形式及杆单元以拉压为主的变形模式,基于连续介质等效理论,提出了一种全新的位移场假设,并以此编写了计算点阵夹芯复合材料屈曲强度的有限元程序.通过与不同试样的压缩试验的比较,对碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲行为进行了分析,并且验证了程序的有效性.同时,采用程序,讨论了点阵参数(包括杆单元长度、半径及倾斜角)对点阵夹芯复合材料结构屈曲强度的影响规律.结果表明:芯层体积分数相同的情况下,金字塔型和四面体型点阵夹芯结构的屈曲强度相差不大,后者略高.所得结论对点阵夹芯复合材料结构设计具有一定的指导意义.      

大型空间刚架结构的设计与优化

通过人机交互方式,设计出某大型复合材料空间刚架结构满足设计要求的结构方案.有限元分析可知,结构的屈曲为结构设计的主要制约因素.使用MSC.Nastran的优化功能,以屈曲响应作为约束条件,对初始设计方案进行优化,得到了一组优化结果,经过圆整处理,得到新的设计方案.经过校核可知,该方案可以满足结构强度、稳定性等要求,且结构重量得到减轻.     

温度载荷对壁板动力学特性的影响

提出了一种新的结构热应力、热模态求解方法。采用多变量有限元方法进行几何非线性单元列式,将温度的影响转化成热载荷进行静力学非线性有限元分析得到结构内部热应力,然后计算受热应力影响的结构非线性热刚度矩阵。由热刚度矩阵和质量矩阵进行广义特征值分析得到结构的热模态及其模态频率。最后,给出了热屈曲的计算方法。针对典型壁板结构计算了热应力和热模态,计算结果与Nastran相差在10%以内,分析了热应力对壁板结构动力学特性的影响。     

等边三角形网格加筋壳轴压承载研究

随着新一代中型运载火箭研制的开展,贮箱焊接筒段的精细化设计成为结构减重、火箭提高运载能力的关键。对比分析国内外主要液体火箭贮箱筒段的不同网格加筋形式,发现三角形网格对轴压承载有着显著优势。随即对三角形网格加筋金属壳体的轴压承载能力展开算法分析、有限元计算和全尺寸级破坏试验的研究,最终验证等刚度铺层计算方法正确可行。理论分析和试验结果均表明,相比传统的斜置正交网格形式,三角形网格拥有更高的结构效率。按照结构最优原则设计的等重量三角形网格圆筒的轴压承载能力高出斜置正交网格15.3%左右。采用三角形网格加筋可有效减轻贮箱结构的重量。     

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.      

激光焊接带口盖加筋壁板剪切性能分析

针对双光束激光焊接带口盖加筋壁板开展了剪切稳定性试验,分析了带口盖加筋壁板在受剪状态下的屈曲载荷、屈曲形式、后屈曲承载能力及破坏形式。建立了壁板与剪切夹具的有限元模型,对壁板的剪切失稳形式及后屈曲承载能力进行仿真计算,并探究了口盖对加筋壁板的承载能力、应力变化及面外变形的影响。结果表明:带口盖加筋壁板在剪切状态下,当屈曲比达到1.95时,加筋壁板进入后屈曲,最终破坏载荷约为屈曲载荷的2.98倍。仿真与试验得到的载荷-位移曲线较为吻合,有限元法得到的屈曲载荷和破坏载荷与试验平均值误差分别为8.7%、1.02%。开口壁板的承载能力及刚度均下降,螺栓紧固口盖对加筋壁板的应力与面外变形影响较大。