编织复合材料预制体铺覆成型的数值模拟

针对平面编织复合材料预制体在曲面铺覆过程中的局部变形,建立了三维有限元模型,利用商业有限元软件Abaqus模拟了预制体在铺覆成型过程中的纤维束变形规律。研究了0°和45°碳纤维织物在球面铺覆过程的变形过程和局部剪切变形。结果表明,纤维束之间的滑动和纤维束起皱是该预制体在球面铺覆过程中的典型变形模式。在0°织物的球形铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最小,45°方向纤维束的剪切变形角最大;在45°织物的铺覆变形中,0°和90°纤维束的剪切变形角最大,45°方向纤维束的剪切变形角最小。     

基于铺覆模拟的复合材料螺旋桨叶片分区域铺层优化北大核心CSCD

为了提高复合材料螺旋桨叶片的结构刚度,分区域优化设计了叶片复合材料结构的铺层角度。根据螺旋桨叶片的厚度和载荷条件,将其划分为4个区域。铺层优化以0°、45°、90°及-45°四个方向的铺覆在各个区域的模拟结果为基础。与初始的铺层方案[0/45/0/-45]sn相比,优化后叶片的铺层方案能使铺层的主方向接近叶片各截面中心点的连线。优化后螺旋桨叶片的1阶和3阶频率提高超过了25%,2阶频率提高超过了5%;表面均布载荷下叶片变形减小了50%,热载荷下叶片变形减小了约25%;优化达到了提高叶片结构刚度的预期效果。分区域优化的方法既利用了复合材料的可设计性又提高了优化效率,适用于复杂复合材料结构的铺层优化。     

考虑纤维实际取向和铺层拼接问题的有限元模型建立方法

针对受铺覆准则制约的复杂曲面复合材料结构铺层纤维取向变化和铺层切断及拼接问题,在ABAOUS层合模型分析的基础上,建立考虑铺层纤维实际取向和铺层拼接的有限元分析模型和算法,并采用VB编程语言开发实现.     

复合材料风扇叶片-机匣碰摩振动的数值模拟

基于全三维模型的复合材料风扇叶片-机匣碰摩动力学特性的数值研究。建立了复合材料三维风扇叶片-机匣实体有限元模型,考虑叶片离心刚度的影响,机匣由贝塞尔曲面拟合,风扇叶片采用3种不同铺层形式。基于该模型,在机匣二节径变形的情况下,计算了不同铺层叶片在不同转速下与机匣碰摩后的动力学响应。计算结果表明:铺层形式对叶片中、低转速下的碰摩振动形式影响较大,带有90°铺层的叶片的最高振幅及不稳定振动所在区域的转速相对较低,改变铺层形式可以对复合材料风扇叶片-机匣的碰摩动力学特性加以控制。当转速靠近由3倍频与叶片1阶模态造成的共振点附近,或由6倍频与叶片2阶模态造成的共振转速附近时,叶片与机匣的碰摩会导致非稳定振动的产生。该方法与结果对复合材料风扇叶片的碰摩动力学特性研究具有一定指导意义。      

复合材料风扇叶片鸟撞损伤的精细化分析方法

为了研究复合材料风扇叶片鸟撞损伤机理并指导研发设计,提出一种鸟撞复合材料风扇叶片的精细化分析方法。建立 了包含铺层信息的复合材料风扇叶片精细化有限元模型,进行中鸟撞击工况的数值计算,基于ANSYS-Workbench软件的自动化 脚本和MATLAB程序提取铺层有限元结果数据进行失效分析,通过Tecplot实现结果的可视化并结合叶片冲击响应进行叶片损伤 分析。结果表明：叶片的冲击响应除周向弯曲、轴向弯曲、扭转以外,在伸根段以上部分还包含高阶模态成分;叶片内部失效明显, 叶片外表可见损伤较少;在伸根段和榫头内部50%弦长位置出现明显分层,发生基体开裂的铺层较多;相同角度铺层的纤维失效 和基体失效位置及演化规律相似,少量铺层在高阶模态影响下,在特殊位置失效;±45°铺层在伸根段前缘附近出现显著纤维拉伸 失效,该位置为叶片的鸟撞薄弱点。     

复合材料增强铝方管耐撞性数值模拟

基于复合材料增强铝方管准静态轴向压溃试验结果,通过有限元仿真方法研究其耐撞性及压溃吸能特性.建立复合材料增强铝方管双层壳单元有限元模型,进行仿真分析获得其变形失效模式及载荷位移曲线等,通过与实验数据对比验证材料模型及有限元模型的准确性,并进行压溃结果分析.基于验证的有限元模型,研究薄弱环节设置、复合材料纤维铺层角度对其轴向压溃吸能特性的影响.结果表明:顶部设置圆孔薄弱环节比设置45°外倒角更能有效改善吸能特性;随着复合材料纤维铺层角度的增大,其吸能能力会随之增强.     

泡沫夹芯面板非穿透损伤挖补维修有限元分析

建立了SR20飞机含非穿透损伤复合材料泡沫夹芯结构壁板挖补维修的三维有限元模型。分析了有限元模型的收敛性,给出了合理的网格划分密度。对单向拉伸和双拉伸载荷下含非穿透损伤泡沫夹芯结构进行了应力分析,给出了完好结构和维修后结构面板各材料主方向应力分布。基于最大应力准则给出了完好结构和维修后结构的单向拉伸强度和双向拉伸强度。分析结果表明,维修后的结构在单向拉伸状态下,初始损伤为面内剪切失效,应力极值点位于母板上临近维修铺层边界处与x方向结构对称轴约成30°的位置;双向拉伸状态下,初始损伤为纤维拉伸断裂,应力极值点位于母板上维修铺层边界处与x方向结构对称轴约成45°的位置。在理想修复状态下,单向拉伸时的强度恢复系数为85.8%,双向拉伸时强度恢复系数为96.7%。维修区域材料不连续,导致应力集中,使结构维修后强度下降。维修后强度随表面贴补铺层数增加而降低,原因为贴补铺层增大了局部刚度,使维修区域应力水平升高。     

复合材料螺旋桨的加厚及预变形设计

为有效利用复合材料螺旋桨的轻质和弹性特点,对螺旋桨做了加厚处理,在保证水动力性能的前提下,加宽空泡斗以增强螺旋桨对不均匀流场的适应性,在结构上还会增加复合材料桨叶的强度。采用稳态流固耦合算法,对优选出的加厚桨进行了45°和-30°两种复合材料铺层角度下的流固耦合计算,采用预变形设计方法,计算了不同工况下的敞水性能、型值参数和变形。设计工况下,在复合材料螺旋桨变形的反方向施加预变形量,受力后可变形至原桨的形状,水动力性能也与原桨相当,而在非设计工况下,实现了复合材料螺旋桨的水动力性能改善。     

考虑可制造性的变刚度复合材料加筋壁板的优化设计

由于变刚度复合材料具有更大的设计空间，能更充分发挥复合材料各向异性的优势，研究其优化设计方法越来越重要。本文首先考虑了工形长桁加筋壁板变刚度复合材料的可制造性，并通过自动铺丝工艺试验获得了纤维的变角度极限范围。研究了壁板面板的铺放角度对加筋结构屈曲强度的影响，然后利用Python编程，结合Abaqus有限元软件通过遗传算法对工形长桁加筋壁板的面板铺层设计进行了优化。研究发现，纤维角度变化宜控制在20°范围内，当面板与筋条同时承受压缩载荷时，面板为纯0°铺层的加筋结构的屈曲强度比纯90°铺层时要低；遗传算法稳定且收敛性好，通过优化后的结果发现，纤维角度集中在60°～65°时，加筋结构的屈曲强度最高。变刚度复合材料可提高加筋壁板屈曲性能，应用前景广阔。     

纤维增强复合材料涡轮轴结构疲劳寿命预测

研究了连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在给定低循环载荷作用下的疲劳寿命估算方法.考虑连续纤维增强复合材料结构特性,研究了基于局部应力应变法的低周疲劳寿命预测方法,并对预测方法的有效性进行了验证.基于此方法,计算了某型航空发动机低压涡轮轴的最大应力、应变和疲劳寿命.结果表明:在0°~90°范围内,45°铺层角度的复合材料层疲劳寿命值最大;当金属厚度不变,外层金属和首层复合材料层的疲劳寿命随复合材料厚度增加而增大;当轴结构壁厚保持6mm不变,减小复合材料层的厚度,同时相应增大最内层或最外层金属包套的厚度,其结构疲劳寿命都随着复材层的厚度减小而减小;外层金属包套的寿命则远大于首层复合材料的疲劳寿命.      

基于零厚度内聚力单元单向碳纤维增强树脂基复合材料微观切削机理研究

为探究碳纤维复合材料(CFRP)微观切削机理,通过有限元法,采用零厚度内聚力单元模拟界面相,碳纤维建模呈圆柱状并随机分布于基体中,以此来真实反应CFRP的微观结构。通过对各组成相设置不同的材料本构、材料失效和演化准则,对4种典型角度(0°、45°、90°、135°)进行直角切削仿真,探究不同纤维角度下单向碳纤维增强树脂基复合材料(UD-CFRP)在切削过程中的微观切削机理。结果表明:不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同,切削0°CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主,切削45°和90°CFRP时主要是刀具的侵入破坏,切削135°CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹,纤维断裂点在刀刃下方。最后,通过实验验证了微观模型的准确性。     

复合材料螺旋桨扭转变形对推力脉动影响研究

本文基于面元法和有限元法,采用Fortran和Python语言混合编程,开发了求解复合材料螺旋桨稳态流固耦合的自迭代算法,并以某碳纤维桨为对象开展了静态加载变形试验和水动力性能试验,对自迭代算法有限元计算精度和水动力计算精度进行了试验验证。在此基础之上以大侧斜的4383复合材料螺旋桨为研究对象,采用该算法对4383复合材料螺旋桨在设计工况下的螺距角变化量和推力系数差值之间的对应规律进行了研究,结果表明大侧斜的4383复合材料螺旋桨能够有效降低推力脉动。     

螺旋桨安装效应对无人机气动特性影响

为解决某型飞翼布局无人机(UAV)带动力构型风洞试验最大升阻比相对无动力状态大幅下降的问题,采用计算流体动力学(CFD)方法对无人机无动力与带动力构型进行了数值模拟,数值模拟结果分别与无动力以及带动力风洞试验数据吻合良好,在此基础上深入研究了螺旋桨安装效应对无人机气动特性的影响。结果表明:推力螺旋桨与机身之间气动干扰产生的低压区致使阻力增加,从而导致飞机最大升阻比相比无动力状态下降了30.7%。针对无人机在推力螺旋桨影响下出现的最大升阻比下降问题,采用增大螺旋桨与机身之间距离的方法可以有效地消除机身后部出现的低压区,减小了阻力,提升了无人机最大升阻比。桨毂拉长方案在8°和9°迎角下最大升阻比分别提升了17.3%和15.4%。     

纤维复合材料的形变功密度断裂准则

通过单边缺口、中心裂纹和中心圆孔碳/环氧和玻璃/环氧复合材料层合板试样的试验证实,在考虑了材料的各向异性后,把各向同性材料的J积分分析结果用于确定复合材料层合板的断裂过程区特征长度d₀是适宜的。 根据碳/环氧复合材料层合板的有限元分析结果和试验观察,提出了一个新的断裂准则 σ_y（d0,0）ε_y（d0,0）=ασ_Fε_F 称为形变功密度断裂准则。这个准则已得到试验验证。使用本文方法可以得出不随试样几何形状和应力分布而变化的特征长度。     

自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式,合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构,研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计,解决了铺放复杂曲面满覆盖问题;总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则,选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造,并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱;采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放;采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%,整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。     

一种分布式电动飞机螺旋桨滑流影响机理

提出了一种分布式电推进螺旋桨飞机，采用二阶精度求解RANS方程的k-ω SST （Shear-Stress-Transport）湍流模型，基于多参考系（MRF）方法，针对低速特性进行数值模拟，得到了分布式螺旋桨滑流效应对全机气动特性的影响规律，重点对螺旋桨后方速度场及机翼表面压力分布进行分析。结果表明有滑流状态增加了全机升力和阻力，升力系数最大增量超过65%，且升力增量随迎角的增加而增大，改善了失速性能，增加了低头力矩；螺旋桨旋转增加了周向速度，改变了径向速度分布，增加轴向速度，高能量螺旋桨滑流改变了机翼当地升阻力特性；螺旋桨桨叶向上旋转一侧气流受上洗影响而局部迎角增加，另一侧局部迎角降低，越靠近桨盘位置，受螺旋桨洗流带来的影响越大；螺旋桨的旋转方向对螺旋桨两侧的机翼表面压力分布有较大影响，尤其是翼尖螺旋桨对全机气动性能影响较大。     

某型三叶螺旋桨的设计及性能试验

根据飞行速度、需用拉力、螺旋桨转速等参数,设计了某型飞机的三叶螺旋桨,获得了弦长和桨叶角沿着径向的分布.制造了三叶复合材料螺旋桨（直径为1.75m）,在螺旋桨试验台上测试了不同转速下螺旋桨的拉力.为了获得螺旋桨的动态性能,制造了螺旋桨的缩比模型（直径为0.96m）,在西北工业大学NF-3风洞的三元试验段测试了螺旋桨的气动性能数据,包括:拉力、扭矩、功率、效率.结果表明:螺旋桨最大效率为85.63%,所设计的三叶复合材料螺旋桨适用于螺旋桨需用功率为70kW左右的发动机（比如Rotax912）,提出的螺旋桨设计方法具有较好的应用价值.      

Dynamic performance of a C/C composite finger seal in a tilting mode

The complex operating state of aeroengines has an impact on the performance of finger seals.However,little work has been focused on the issue and the dynamic performance of finger seals is also rarely studied.Therefore,a distributed mass equivalent model considering working conditions is proposed in this paper for solving the existing problems.The effects of the fiber bundle density and the preparation direction of the fiber bundle of a C/C composite on the dynamic performance of a finger seal are investigated in rotor tilt based on the proposed model.The difference between the C/C composite finger seal performances under the rotor precession and nutation tilt cases is also investigated.The results show that the fiber bundle density and the preparation direction of the fiber bundle have an influence on the dynamic performance of the finger seal as rotor tilt is considered,and the dynamic performance of the finger seal is different in the two kinds of tilting modes.In addition,a novel method for design of finger seals is presented based on the contact pressure between finger boots and the rotor.Finger seals with good leakage rates and low wear can be acquired in this method.