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.      

膜片翻转过程中的偏心问题及改进方法

金属贮箱膜片翻转试验中出现的偏心问题,易造成气液掺混、推进剂泄露等严重后果.为解决膜片的偏心问题,数值计算膜片翻转过程,通过加入弹塑性本构模型引入了显著的数值偏心现象,膜片的最大偏心量约为60mm,且其偏心表现形式与试验中的偏心形式一致性好.提出了改变锥段高度与膜片厚度、环向加筋等方法解决偏心问题,得出了不同方法对数值偏心现象的改善结果.研究表明:增加膜片厚度改善偏心问题效果最好,但同时会显著提高膜片的屈曲载荷与结构质量;改变锥段高度方法次之,但最优锥段高度需根据膜片圆弧旋转段半径进行相应调整;环向加筋方法稍差,但通用性好,且不会显著提高结构质量.     

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.     

高温环境下板壳结构局部屈曲理论研究

传统高温板壳结构的热屈曲分析方法,在解决热-机械载荷耦合作用下复杂板壳结构的屈曲问题时存在较大的局限性,合理的局部热屈曲理论分析方法有助于提高板壳热结构设计水平。因此,根据高温板壳的结构特征和力学特征,在"机械载荷等效成局部边界压应力效应"假设前提下,提出了四种典型的应力等效的局部热屈曲模型,基于初始后屈曲渐近分析理论,建立了一套有效的局部热屈曲理论分析方法。采用上述方法,研究了完善和具有初始缺陷板壳的弹性热后屈曲性态,具体分析了带预载的四边简支模型,带预载的四边固支模型,带预载的三边简支、一边自由模型以及带预载的三边固支、一边自由模型,给出了板壳长度尺寸、厚度等参数对热屈曲载荷的影响规律,并将其推广到高阶热屈曲问题中。分析结果表明:板体现为分叉式屈曲,壳体现为跳跃式屈曲;在长宽比一定的情况下,长度越长,屈曲临界载荷越小,厚度越厚,屈曲临界载荷越高。     

超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法

针对新一代重型运载火箭及大型飞机中存在的超大直径网格加筋壳结构,提出了一种快速屈曲分析方法。首先,基于渐进均匀化法的快速数值实现方法和瑞利-里兹法建立了快速屈曲分析框架,并通过与算例中等效刚度法屈曲载荷结果进行比较,验证了本文方法具有较高的预测精度。然后,对比了3种结构尺寸下网格加筋壳屈曲分析效率,结果表明本文方法不受结构尺寸影响,平均计算时间仅为6s,凸显了其用于超大直径结构分析的高效性。进而,基于本文方法对4种传统加筋构型及2种新型多级加筋构型进行屈曲载荷评估,其预测误差均在3.0%以内,表现出广泛的构型适用性。在此基础上,通过优化设计的方法对比了上述6种加筋构型的承载效率,优化结果表明本文提出的多级三角型加筋构型最具承载优势,相较于初始方案取得了82.2%的承载增幅,可作为一种新型超大直径网格加筋壳结构储备。     

飞机典型壁板结构剪切屈曲疲劳试验与分析方法

依据疲劳分析中的细节疲劳额定值法，提出了一种针对纯剪状态下飞机典型壁板结构的屈曲疲劳分析方法。采用整体垫板形式设计典型壁板试验件，避免“对角拉”方式施加剪切载荷时的非关键区破坏；建立剪切屈曲疲劳状态下细节疲劳额定值的分析模型，并给以试验验证；分析结构屈曲疲劳破坏模式，给出结构破坏及裂纹扩展特征，为结构抗屈曲疲劳设计提供技术支持。结果表明：屈曲疲劳的破坏多由于铆钉处受弯曲应力和剪切应力双重影响造成；起裂裂纹沿着垂直于屈曲波的方向扩展，当裂尖靠近屈曲波中心时，扩展速率急速增长；结构屈曲临界载荷随循环次数的增加而减少；提出的屈曲疲劳分析模型是合理可行的，这为结构后屈曲状态下的疲劳评估提供一种便利的工程算法。     

先进复合材料薄壁加筋板轴压屈曲特性及后屈曲承载性能

对国产先进复合材料薄壁加筋板结构进行了轴向压缩试验.通过监测典型位置的应变和离面位移,研究了该型加筋板的轴压屈曲及后屈曲性能.应用工程算法对试验件的蒙皮初始屈曲载荷和屈曲模态进行了预测,试验结果表明,该型加筋板的轴压屈曲形式依次是筋条间蒙皮的初始屈曲、部分蒙皮的二次屈曲以及4根筋条的柱屈曲;蒙皮发生屈曲后,蒙皮承担的部分载荷转移至筋条,使筋条成为主要承力部分,当筋条发生断裂后,试验件迅速整体破坏;其破坏载荷平均值为482.67 kN,屈曲载荷的平均值为204 kN,前者为后者的2.37倍,说明该型结构具有很大的后屈曲承载空间.     

铝合金薄板零件橡皮囊成形屈曲分析与实验

为了抑制铝合金薄板类零件在橡皮囊成形后出现屈曲的缺陷,采用薄板屈曲微分方程对零件成形后的屈曲进行理论分析,并通过橡皮囊成形实验研究自然时效时间和成形压力对屈曲缺陷的影响。理论分析结果表明：零件法兰屈曲波数与其内外径比有关,通过改变法兰宽度进行实验验证,实验结果与理论分析结果相符;而成形实验结果表明,屈曲缺陷高度随板料自然时效时间的增加而增加,随成形压力的增加而减少。因此,理论分析结果有效,并且可通过减少淬火后成形时间和增加成形压力来抑制屈曲缺陷。     

典型飞机壁板结构的抗屈曲优化设计与试验验证

加筋壁板是飞机机身和机翼中常见的典型承力结构,其在轴压和机身弯矩载荷作用下极易发生屈曲失效,严重制约飞行器安全性能与服役周期。飞机结构静强度校核时多采用经验公式进行工程计算,其中加筋壁板结构承载能力的工程计算与机身框结构端部支持系数的选取密切相关。现有飞机型号研制中端部支持系数的选取通常较为保守,结构安全裕度大、质量冗余,阻碍了飞行器轻量化水平的进一步提升。为此,首先基于欧拉长柱失稳理论,建立了基于切缝法的典型飞机壁板结构端部支持系数仿真计算模型;同时深入分析了端部支持系数与加筋壁板结构和支撑框段的耦合作用关系;进一步地,分析了框、长桁等结构特征参数对端部支持系数的影响规律,并分别开展了框、长桁-蒙皮以及框-长桁-蒙皮协同优化的飞机壁板结构抗屈曲设计;最后,基于增材制造缩比样件和轴压屈曲试验,验证了典型壁板结构抗屈曲优化设计方法的有效性。所建立的仿真分析模型和优化设计方法实现了飞机壁板结构抗屈曲性能的有效提升,对进一步提升飞机性能指标具有重要意义。     

铝锂合金加筋壁板剪切屈曲性能

为研究剪切载荷下2A97铝锂合金加筋壁板的屈曲与后屈曲行为,设计了加筋壁板和夹具,完成了壁板的剪切试验;得到了加筋壁板的失稳载荷、破坏载荷以及破坏模式;采用受剪板屈曲与张力场理论计算了加筋壁板的剪切屈曲失稳载荷;建立有限元数值计算模型对加筋壁板屈曲行为进行计算分析,并将数值结果与试验结果对比。结果表明：加筋壁板的屈曲模式为筋条间蒙皮的局部屈曲;加筋壁板的破坏模式为沿加载对角线方向蒙皮的凸起,破坏原因为蒙皮的塑性变形、撕裂以及筋条的扭转变形;利用张力场理论可以得到较准确的屈曲失稳载荷,与试验误差为6.56%;数值模拟得到的屈曲与破坏模式与试验吻合,失稳载荷和极限载荷与试验结果误差分别为1.22%和11.52%。     

航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能

航空复合材料加筋板由于具有良好的力学性能,广泛地应用于航空结构中。本工作研究了航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能,首先应用工程方法对复合材料加筋板进行压缩稳定性计算,得到加筋板的屈曲载荷和破坏载荷的预估值;其次,开展复合材料加筋板压缩稳定性实验,得到实验件的屈曲及破坏形式、实验件的载荷-应变及载荷-位移关系和实验件的屈曲载荷和破坏载荷。结果表明:采用工程方法得到的计算结果与实验结果较为吻合,屈曲载荷和破坏载荷的误差分别为6.12%和9.31%,合理应用工程方法可以为实验提供较好的指导;加筋板的破坏形式为壁板的分层、鼓包和撕裂、筋条的断裂以及筋条-壁板的脱粘;屈曲比为1.65的复合材料加筋板具有较强的后屈曲承载能力;工程中可充分应用加筋板的后屈曲承载能力提高结构的利用效率。     

航空发动机中“W”形金属密封环的设计方法

针对密封性和强度,对“W”形金属密封环的压缩率选取范围进行研究。在压缩率确定的基础上,优化“W”形金属密封环所在处机匣的轴向间隙,探究“W”形金属密封环关键结构参数对强度的影响,基于灵敏度分析对“W”形金属密封环的结构参数进一步优化;研究“W”形金属密封环屈曲及轴向刚度间的关系,并采用刚度实验校核模拟结果,为评估屈曲临界载荷提供支持。结果表明:在该典型工况下,“W”形金属密封环的压缩率合理范围为3.2%～6.08%;壁厚对最大等效应力影响最大,最终优化结果为壁厚增大5.0%,波峰、波谷半径增大9.0%,接触半径增大7.7%,圆环外径减小5.8%,最大等效应力减小5.7%;屈曲“W”形金属密封环载荷与轴向刚度线性相关。      

非线性区间迭代法在结构后屈曲分析中的应用

使用区间迭代法跟踪结构后屈曲平衡路径。区间迭代法可以在接近临界载荷处自动解出屈曲前和屈曲后的两个可能平衡位形,从而避免了由于刚度矩阵奇异而使迭代停止的数值困难。一些典型例题的数值解,证明了非线性区间迭代法可以穿过极值点,并能追踪到极值点之后的解曲线,而且对所谓“位移回弹”（Ｓｎａｐ－ｂａｃｋ）问题,区间迭代法仍然是有效的。     

初始几何缺陷对加筋结构后屈曲分析的影响

采用考虑几何和材料双重非线性的弧长法分析了受初始几何缺陷影响的加筋壁板在轴压载荷作用下的后屈曲破坏过程.在分析中探讨了初始几何缺陷的大小及形态对加筋壁板极限承载能力和破坏模式的影响.计算结果表明,当初始缺陷的最大位移值超过蒙皮厚度的0.1倍时,将影响结构的承载性能.小于蒙皮厚度的0.1倍时,初始缺陷的形态和大小对结构的承载能力不产生明显影响,但影响结构的最终破坏模式.在后屈曲分析中可以以线性屈曲特征值法计算得到的一阶屈曲模态为初始缺陷的模式,初始缺陷最大位移值取蒙皮0.005~0.1倍之间.     

航空碳纤维树脂基复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了复合材料加筋板轴压稳定性实验,对加筋板的屈曲及后屈曲性能、破坏模式和后屈曲失效表征进行了研究.实验结果表明加筋板在轴压下具有良好后屈曲承载潜能,破坏载荷约为屈曲载荷的2.2倍;其屈曲模式为筋条间蒙皮首先发生屈曲失稳,筋条在整个承载过程中保持直线,起到“屈曲分隔”的作用.通过对加筋板屈曲及后屈曲性能的理论分析,得出的理论屈曲载荷和理论破坏载荷与实验结果相对误差均小于8%,并确定了在后屈曲过程中蒙皮中心挠度的变化规律和轴向载荷的面内分布特征.      

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。     

A Study on Multi-defect Constrained Bendability of Thin-walled Tube NC Bending Under Different Clearance

Thin-walled tube numerical control (NC) bending is a tri-nonlinear physical process with multi-defect and multi-die constraints. The clearance on each contact interface is the major factor to indicate the contact conditions. A three-dimensional-finite element (3D-FE) model is established to consider the realistic dynamic boundary conditions of multiple dies under ABAQUS/Explicit platform. Combined with experiment, numerical study on bending behavior and bendability under different clearance between tube and various dies is conducted in terms of wrinkling, wall thinning and cross section deformation. The results show that (1)with smaller clearance of tube-wiper die and tube-mandrel, the wrinkling can be restrained while the wall thinning It and cross-section deformation Id increase; while excessive small clearance blocks tube materials to flow past tangent point and causes piles up, the onset of wrinkling enhances It and Id. (2)Both It and Id decrease with smaller clearance of tube-pressure die; the wrinkling possibility rises with larger clearance on this interface if the mandrel’s freedom along Y-axis is opened; smaller clearance of tube-bend die prevents wrinkling while increases It, and the clearance on this interface has little effect on Id. (3)A modified Yoshida buckling test (YBT) is used to address the wrinkling mechanisms under normal constraints in tube bending: the smaller clearance may restrain wrinkling efficiently; the smaller wall thickness, the less critical clearance needed; the critical clearance for tube bending 38 mm×1 mm×57 mm (tube outer diameter×wall thickness×centerline bending radius) equals about 20% of initial wall thickness.     

某民用飞机机身典型壁板压损分析

通过RADIOSS显示有限元计算,对典型壁板结构的承载能力进行了计算分析,并与试验结果进行对比,验证了RADIOSS显式有限元计算分析的准确性。在此基础上,针对某民用飞机的机身壁板5种不同的典型壁板结构,分别在长度为200 mm和530 mm的情况下,采用有限元分析方法计算了长桁及壁板结构的压损和失稳情况,最终得出5种构型下的压损及失稳结果,为机身结构共性结构选型提供了数据支持。     

矩形薄膜和充气管的屈曲及后屈曲行为分析

 对矩形薄膜及充气管的屈曲及后屈曲过程进行了分析。首先基于矩形薄膜褶皱区域的应力平衡关系,得到了矩形剪切薄膜褶皱的波长及幅度的表达式,并考虑了微小的初始张力的作用。基于稳定性理论建立了薄膜褶皱的数值分析方法,通过实验的方法对分析结果进行了验证。分析表明矩形剪切薄膜的屈曲过程是分枝点平衡问题。对于充气管的分析是基于张力场理论建立了其扭转临界扭矩的表达式,并与数值分析的结果进行了对比分析,分析表明充气管的屈曲过程是极值点平衡问题。通过对比分析,两种结构形式的分析结果与数值分析的结果基本符合。建立的分析方法能够有效地进行薄膜结构的屈曲及后屈曲过程的分析。