基于一种新的均匀化实施方法的FRP刚度预测

基于一种新的渐近均匀化(AH)实施方法,预测并讨论了单向纤维增强复合材料(FRP)的宏观等效弹性性能及纤维排列方式对等效力学性能的影响。该方法方便地将有限元分析(FEA)软件作为一个工具箱使用,只需在单胞上施加简单位移周期边界条件开展静力学分析,即可经过简单计算得到等效弹性常数,相比传统均匀化实施方法显著降低了实施难度并简化了计算过程。通过对比不同数值方法的结果验证了该方法的有效性和精确性。数值结果表明:六边形排列下单向纤维增强复合材料呈现横观各向同性,而正方形排列下则呈现宏观正交各向异性,经过刚度平均化过程可得到横观各向异性材料性质,纤维体积含量对两种排列方式下材料等效弹性模量影响显著但有所差别。     

Multi-criteria analysis of aircraft structures fracture

A novel modular multistep algorithm is proposed for multi-criteria analysis of fracture of aircraft structures with complex geometries. In order to evaluate the algorithm, the crack growth analysis is realized by the following three criteria, namely, the stress intensity factor, the strain energy release rate, and the J-integral. The algorithm implementation by the finite element method is considered and prospects of alternative implementation based on the meshfree methods are assigned.     

若干周期性复合材料结构数学均匀化方法的计算精度

数学均匀化方法(MHM)一般需要通过有限元方法(FEM)来实现,摄动阶次和单元阶次直接影响计算结果。在解耦格式中,各阶摄动位移是相应阶次的影响函数和均匀化位移导数的乘积。单元阶次的选取取决于影响函数和均匀化位移的精度要求,而摄动阶次的选取则主要依赖于虚拟载荷的性质和均匀化位移各阶导数的计算精度;针对周期性复合材料杆的静力学问题,在施加不同阶次的载荷时,通过选择合适阶次的单元和摄动阶次得到了精确解。使用类似的方法研究了2D周期性复合材料静力学问题,指出了四边固支作为周期性单胞边界条件以及宏观位移求导精度对计算结果将有很大的影响。强调了二阶摄动对数学均匀化方法计算精度的作用;在数值结果中,应用最小势能原理评估了各阶摄动数学均匀化方法的计算精度,数值比较结果验证了结论的正确性。     

平面热应力问题的组合杂交有限元方法

利用组合变分原理可以增强杂交元方法解的稳定性,建立了平面热应力问题的基于区域分解的组合变分原理.与弹性力学问题相比,右端项改变;并且提出组合杂交元来离散新的变分原理、形成刚度矩阵;进而引入能量协调条件,不仅简化了变分原理及其相应的刚度矩阵,而且减少有限元解的误差.数值结果表明,能量协调的4节点组合杂交元数值性能最佳:实现粗网格高精度,对网格畸变不敏感且可以克服闭锁现象.     

用边界元-数学规划法解弹塑性接触问题

 本文基于塑性增量理论导出一种不显含应变的矩阵增量物理关系及平面应变问题σ_z的表达式,提出解决无摩擦弹塑性接触问题的边界元-数学规划法。据此编写了用边界元法解二维问题的通用程序,并用之解算了两圆柱体的弹性和弹塑性接触问题,将数值解与现有结果进行了比较。     

Postbuckling elastoplastic state analysis of three-dimensional bodies taking into account finite strains

A technique for analyzing the stress strain state of elastoplastic bodies taking into account large displacements, rotations, finite strains, and buckling is presented. The step-by-step loading method with formulation of the resolvent variation equation in the current configuration is used. The governing equations for elastoplastic bodies that connect the Jaumann derivative of the Cauchy-Euler stress tensor with the velocity strain are applied. The spatial discretization is based on the finite element method (FEM) in the framework of the polylinear three-dimensional isoparameteric approximation. The numerical solutions of the problems are given.     

基于虚拟裂纹闭合法的铝合金疲劳裂纹扩展分析

基于虚拟裂纹闭合法,以Abaqus有限元软件为平台,编写了用户单元子程序,计算出不同裂纹扩展阶段的应变能释放率和裂纹尖端应力强度因子。结合Paris公式,建立了有限元裂纹扩展模型,可仿真再现疲劳裂纹扩展过程,预测裂纹扩展寿命,为损伤容限评估方法提供一种技术支持。     

特殊形状橡胶密封圈的性能分析

采用非线性有限元法对特殊截面形状的橡胶密封圈进行了分析.通过轴对称有限元分析模型, 分析了其在矩形沟槽内装配压缩过程中的变形和应力变化, 以及应力的分布情况, 同时还对承受单侧压力的密封情况进行了研究.对于密封圈的抗扭转特性以及在特殊压力负载情况下的密封特性也进行了模拟并且和普通O形圈进行了对比.结果表明, 所采用的方法能够预测特殊形状的密封圈在压缩中的变形和应力等特征参数, 加深了对其密封性能的了解, 并对同类密封结构设计有一定的指导意义.      

某型飞机翼身连接接头可靠性分析

首先将标准有限元程序与改进的均值法相结合，对某型飞机翼身连接接头处的刚度可靠性进行分析，结果表明，在所给载荷和允许应变情况下，该接头结构在外载变异系数为0.15，弹性模量和剪切模量为0.05时，仍具有较高的可靠度。然后，又将标准有限元分析程序与响应面法结合，在假设接头的响应极限状态方程为一不包括交叉项的二次多项式的基础上，利用有限元分析确定响应极限状态方程，通过迭代运算，保证响应极限状态方程在最有可能失效点处与接头结构真实的隐式极限状态方程有很好的近似程度。2种方法的计算结果具有较好的一致性。最后，基于弹塑性应变分析，给出了在大过载情况下的低周疲劳寿命可靠性分析结果，得到了在给定寿命要求下，结构可靠度随寿命变异系数变化的曲线，并给出了在要求寿命可靠度情况下，可靠寿命随寿命变异系数的变化曲线，从而，为该型飞机的设计定型提供了有力的依据和方法。     

Stability analysis of an aeroelastic system with friction

In this paper, harmonic balance method, exact formulation and numerical simulation method are adopted to study the effects of different friction stiffness on the stability of 1.5 degrees of freedom aeroelastic system. On this basis, the expressions of input energy and dissipated energy are deduced, and the energy method is used to reveal the mechanisms of the stable boundary and unstable boundary existing in the system and the effects of different friction stiffness on the stability of the system. Studies have shown that the stability region and the critical aerodynamic damping ratio of the system rise with the increase of the friction stiffness, while the friction stiffness has little effect on the stability boundary. In the analysis of the stability of system, the results of harmonic balance method, exact formulation and Newmark of numerical simulation method are in good agreement. Compared with exact formulation and numerical simulation method, the concept and conclusion of harmonic balance method are simple in the system stability analysis.     

某级压气机叶盘系统失谐振动关键因素研究

基于某级压气机叶片盘扇区,建立考虑非线性榫接触叶片盘有限元模型,应用提出的自由界面子结构-固定界面预应力模态综合超单元近似分析方法,并基于提出的围绕实验与有限元分析拟合出线性表达式的失谐参数识别方法,探究失谐关键因素对于叶盘系统振动的影响.结果表明,非线性榫接触不可忽略,提出的超单元法精度达到3.07%,满足要求.同时也表明,叶片平均频率、叶盘刚度比与频率转向对于失谐叶盘系统振动幅值、共振频率及应变能等参数均有一定影响.      

纺织复合材料细观力学分析的一般性周期性边界条件及其有限元实现

针对纺织复合材料细观有限元分析中单胞网格的快速生成与顺利施加周期性边界条件之间的矛盾,提出了非周期性网格划分条件下,一般性周期性边界条件的数学表达形式.基于ABAQUS有限元软件平台,通过在单胞模型的相对面、相对边及相对角点施加多点约束(MPC)方程,实现了一般性周期性边界条件的施加.结合三维四向编织复合材料单胞模型,对比分析了周期性网格划分和非周期性网格划分情况下,单胞模型受载下的变形状态、应力分布及弹性性能的预测结果,验证了一般性周期性边界条件的正确性和有效性.研究表明:一般性周期性边界条件可以实现复杂细观结构单胞模型的自由网格划分,降低网格划分的难度,提高网格生成的质量.     

复合材料机械连接结构分析中的接触算法适用性研究

采用有限元方法计算复合材料机械连接结构孔边接触应力分布时,需要保证其结果的可靠度。分别以Nastran、Marc和Abaqus为平台,研究小滑移接触检测技术和有限滑移接触检测技术以及拉格朗日乘子法、直接约束法和罚函数法等接触约束施加技术的基本原理与特点,结合复合材料销钉连接结构应力分析实验与数值计算,验证各接触算法的准确性和适用性。结果表明:在复合材料机械连接结构有限元分析中,应当采用有限滑移接触检测技术和罚函数接触约束施加方法以提高计算精度。     

计算缺口局部应力应变的能量法和低周疲劳寿命预测

局部应力应变法已成为预测结构零、部件疲劳寿命的有效方法。 在工程上,常常用近似的方法来计算应力应变。其中最常用的一种近似方法就是Neuber法,其优点是计算比较简单,但是,所得的局部应变往往偏大,用此应变预测疲劳寿命则偏于保守。因此,有人提出用疲劳缺口系数来代替Neuber法中的应力集中系数。     

安装节刚度对发动机整机耦合振动的影响分析

以带机匣的航空发动机转子试验器为研究对象,建立了模拟实际发动机安装条件下试验器的整机有限元模型。对试验器进行了整机模态试验,并利用试验器的模态试验结果对有限元模型进行了修改和验证。在此基础上,仿真计算了自由安装边界、固定安装边界和不同安装节刚度的弹性安装边界的试验器前3阶固有频率和模态振型,通过定义转静耦合因子,研究了安装节刚度对试验器转子、静子耦合程度的影响。结果表明:模态振型的转子、静子耦合程度越高,安装条件对该阶模态影响越大,并且安装节刚度对转子、静子耦合程度影响是非线性的。由于实际大型涡扇发动机的在很多模态下均存在转子、静子耦合现象,因此安装节的刚度对转子、静子耦合作用的影响不容忽视,在有限元建模和仿真计算中需要仔细考虑。      

一个非线性拟协调退化壳有限元

 根据非线性协调有限元列式方法,构造了几何非线性拟协调9结点四边形退化壳有限元。首先给出9结点四边形退化壳单元的几何描述和位移模式;接着讨论了非线性协调有限元列式方法;假设应力和应变;然后用所构造的壳单元,进行了方板、圆拱、球壳和圆柱壳的数值分析,并同精确解以及其他单元的解答进行了比较。结果表明本文壳单元是准确的和有效的。     

细观力学有限元法预测复合材料宏观有效弹性模量

基于能量等效原理提出了复合材料有效弹性模量的定义，并指出了该定义的基础及前提条件。为从理论上计算复合材料宏观有效弹性模量，建立了通过细观力学有限元法计算复合材料有效弹性模量的方法。复合材料宏观弹性模量，是通过对复合材料细观结构代表性体积元的力学响应的计算来得到，在该计算方法中，给出了施加简便的边界载荷以及恰当的边界变形约束条件的方法。数值计算结果与部分试验结果具有较好的一致性，表明所提出的方法能够较好地计算复合材料的宏观有效弹性模量。     

电缆密封结构的有限元分析

针对新型电缆密封结构的密封挡板、密封结构板、橡胶密封板及其连接螺栓建立了有限元模型,考虑了几何、边界及材料非线性因素,计算了模型在螺栓预紧力和气压作用下电缆密封结构的应力和变形,校核该结构的强度是否满足设计要求。结果表明,密封结构的局部出现屈服,需更换更高强度的材料;密封结构密封性能良好,密封性能试验验证了计算结果的合理性。     

Stress analysis and damage evolution in individual plies of notched composite laminates subjected to in-plane loads

This work aims to investigate local stress distribution, damage evolution and failure of notched composite laminates under in-plane loads. An analytic method containing uniformed boundary equations using a complex variable approach is developed to present layer-by-layer stresses around the notch. The uniformed boundary equations established in series together with conformal mapping functions are capable of dealing with irregular boundary issues around the notch and at infinity. Stress results are employed to evaluate the damage initiation and propagation of notched composites by progressive damage analysis(PDA). A user-defined subroutine is developed in the finite element(FE) model based on coupling theories for mixed failure criteria and damage mechanics to efficiently investigate damage evolution as well as failure modes. Carbon/epoxy laminates with a stacking sequence of [45°/0°/ 60°/90°]sare used to investigate surface strains, in-plane load capacity and microstructure of failure zones to provide analytic and FE methods with strong validation. Good agreement is observed between the analytic method, the FE model and experiments in terms of the stress(strain) distributions, damage evaluation and ultimate strength, and the layerby-layer stress components vary according to a combination effect of fiber orientation and loading type, causing diverse failure modes in individuals.     

粗糙元诱导的高超声速边界层转捩

基于有限体积方法,直接数值模拟了高超声速边界层内不同形状粗糙元导致的强制转捩现象;为了能够深入探究强制转捩机理,解析小尺度运动,同时又能够较好地捕捉激波,采用高阶色散最小耗散可调（MDCD）格式对Navier-Stokes方程组对流项进行重构。计算结果表明,数值结果与对应的实验值吻合较好;该方法能解析小尺度的流动结构以及规则结构的破碎与失稳过程,可揭示粗糙元引起的强制转捩机理,即此类强制转捩主要由粗糙元顶部的三维剪切层失稳导致。对多种粗糙元的转捩效果进行了定量研究,影响因素包括粗糙元形状、几何参数等。