复合材料薄壁管轴向压溃吸能特性数值分析

采用数值模拟方法,对具有不同截面的几何等效复合材料管在轴向压溃载荷下的破坏吸能特性进行了分析。通过将复合材料圆管的准静态压溃计算结果与试验数据对比,验证了建模方法的准确性。在相同工况下对比分析了典型截面复合材料管的准静态和冲击压溃吸能特性。结果表明,复合材料管的截面形状会影响其破坏失效模式,加载条件对管的破坏吸能特性具有一定影响。正六边形截面管具有最好的综合吸能性能。     

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.     

仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝结构耐撞性

基于自然界微观生物结构的启发,设计了1种新型仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝（ARH）,并对其耐撞性能进行数值模拟。结合竹子的梯度结构和椰子树的同心胞结构,提出了2种单向梯度和2种双向梯度同心ARH结构。梯度同心结构设计方法不仅可诱导结构渐进的冲击行为,而且因其较低的等效壁厚可改善其比吸能能力。与传统ARH结构相比,对仿生ARH结构的平台应力和吸能特性进行研究,并分析耦合压溃变形模式、收缩变形机理和负泊松比效应等来揭示结构的增强机理。结果表明：预测的耐撞响应和压溃变形模式与参考结果相似;相对传统的ARH,梯度同心ARH有更高的平台应力和比吸能,且平台应力的上升和压溃变形模式均呈梯度变化;梯度方向对压溃变形模式和各层变形顺序影响较大;双向梯度同心ARH比单向梯度同心ARH因耦合变形具有更高的吸能能力;同心胞数对蜂窝各层的收缩变形有较大影响。     

带加固连接的复合材料梯形梁结构吸能特性研究

通过对梯形梁的连接部分加固,能够改善梯形梁准静态压溃时的失效模式并提高其吸能能力.分别用单层壳和叠壳有限元模型的建模方法,研究无加固连接的复合材料梯形梁在轴向准静态压溃下的吸能特性.在叠壳有限元模型建模可行且仿真结果准确,同时单层壳有限元模型达到了叠壳模型的预测精度,在此基础上,用单层壳有限元模型的建模方法研究带圆柱形和圆锥形两种加固连接的梯形梁在轴向准静态压溃下的吸能特性,并对比这两种加固连接的梯形梁的载荷位移曲线和比吸能大小,得出带圆锥形加固连接的梯形梁的峰值载荷最低同时比吸能最大.     

复合材料机身C型柱准静态压溃仿真及失效模式

为了研究复合材料机身薄壁C型柱结构轴向压溃吸能特性、失效模式及C型柱多层壳单元建模方法,建立多层壳单元有限元模型,基于准静态轴向压溃实验结果进行对比验证。结果表明:C型柱多层壳单元模型能够在一定程度上模拟层间分层失效及压溃过程中的局部弯曲变形和层束弯曲失效模式;仿真与实验的载荷-位移曲线吻合性较好,压溃初始峰值载荷,比吸能以及压溃均值偏差较小;但C型柱结构压溃初始峰值载荷较大,载荷效率较低,需通过优化设计进一步降低其初始载荷峰值。     

Carbon-Epoxy圆管件的静态吸能特征

Carbon/Epoxy复合材料可以用作理想的吸能材料。为了考察材料体系对结构吸能性能的影响,对一系列Carbon/Epoxy圆管件进行了静态吸能性能试验。试验结果表明,在基体种类相同的条件下,结构的压溃失效模式有很大的区别。材料的吸能性能不仅同材料性能关系密切,而且也受材料纤维方式影响。     

太阳能飞机复合材料尾撑优化设计

以太阳能飞机的典型结构为研究背景,提出复合材料悬臂梁在给定刚度情况下的减重优化问题。优化基于遗传算法,同时考虑到复合材料加工工艺问题。提出了不同截面形状、不同铺层方法下的多种优化方案。基于不同方案的优化结果,对复合材料悬臂梁的设计特性作出总结。通过对比,得出含蜂窝夹层结构的矩形截面梁是最优方案。     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

磁性涂层碳纤维各向异性铺层板的反射率计算

对磁性涂层碳纤维各向异性铺层板反射率的计算是研究其结构吸波材料性能的基础.本文基于磁性涂层碳纤维单向板的电磁特性分析,研究了电磁波在磁性涂层碳纤维复合材料板中的传输特性.首先推导了单层各向异性复合材料板中的传播常数和波阻抗,在此基础上用传输矩阵法进一步推导了适用于带有磁性涂层碳纤维复合材料铺层板的反射特性.利用此计算方法求解了各向异性复合材料铺层板在不同极化入射电场、材料板不同铺层层数、方向、厚度下的反射特性.最终根据以上算法,开发出各向异性复合材料铺层板结构吸波材料反射率的优化设计软件.     

细观几何结构对复合材料初始屈服面的影响

采用宏—细观统一的弹塑性本构模型分析了多轴载荷作用下不同纤维形状、不同纤维排列方式对金属基复合材料初始屈服面的影响。研究表明:在纵向正应力作用下,圆截面纤维复合材料的初始屈服应力基本上与方形截面纤维复合材料的初始屈服应力相等;不同纤维排列方式的复合材料初始屈服应力基本上相同。当存在横向应力或纵横剪切应力时,圆截面纤维复合材料初始屈服面在方形截面纤维复合材料初始屈服面之内;六角形排列时最容易屈服,而方形对角排列屈服应力最高。      

M-型皱褶芯材夹层板吸能性能研究

作为先进复合材料夹层结构,皱褶夹层板是一种具有众多优点的新型夹层板结构。本文建立了带有缺陷的皱褶芯材有限元模型,对M-型皱褶芯材的能量吸收率和几何参数之间的关系进行了研究。压缩试验仿真结果与CELPACT项目中的试验结果相符。与蜂窝芯材相比,皱褶芯材在吸能性能上表现出了很大的优势,其能量吸收率是蜂窝芯材的两倍多。此外,本文采用响应面法获得了M-型皱褶芯材几何参数和吸能性能指标之间的关系。最后,以吸能性能最优为目标,采用拉丁超立方抽样(LHS)方法获得初始样本,以多目标非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对皱褶芯材进行了优化。     

多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究

多孔金属夹芯结构已被广泛应用于航空航天等领域,研究其抗爆吸能性能具有十分重要的意义。分别对金属空心小球和泡沫铝两种夹芯壳结构在TNT爆炸载荷作用下的抗爆性能进行爆炸实验,并采用AN-SYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟研究。结果表明:金属空心小球夹芯结构作为抗爆吸能结构是可行的;在结构框架尺寸与质量相同时,内面板厚外面板薄的夹芯结构具有更好的抗变形能力,内面板薄外面板厚的夹芯结构则具有更好的吸能特性;在结构框架尺寸与质量相同时,负梯度夹芯结构、并列型小球夹芯结构、小半径小球夹芯结构具有更好的抵抗爆炸载荷和吸收冲击能量的性能;在结构框架尺寸与质量相同时,金属空心小球夹芯结构的整体强度更高,而泡沫铝夹芯结构能更充分地发挥芯层的缓冲性能。     

碳纤维-环氧树脂波纹梁吸能能力的试验研究

 用试验研究了碳纤维 -环氧树脂圆弧型波纹梁在轴向准静态载荷下的损毁过程、峰值载荷和能量吸收能力。通过 3组不同尺寸的波纹梁在轴向准静态载荷下的压缩试验,研究了波纹梁的缓冲吸能机理,并对波纹梁的峰值载荷和吸能能力做了定量分析,讨论了不同结构尺寸对波纹梁在轴向准静态载荷下的峰值载荷和吸能能力的影响。     

蜂窝芯体材料面外等效弹性模量预测与分析

基于最小势能原理和最小余能原理,选择比Kelsey模型所用表征单元更简化的单元为研究对象,推导出与之完全相同的蜂窝芯体面外等效弹性模量的解析表达式。采用有限元法预测一组典型商用正六边形蜂窝芯体的面外等效弹性模量,并将解析解模型预测值、有限元模型预测值与厂家公布的材料试验数据进行对比。提出一组基于解析解模型的修正公式用于预测与分析典型正六边形蜂窝芯体的面外等效弹性模量。     

多孔介质空心圆柱绕流的摄动解

本文主要讨论了绕多孔介质空心圆柱的有势流动问题。运用摄动方法,给出了速度势的四阶近似,然后得到了圆柱表面的无量纲的压力系数和阻力系数。结果发现在势流的情况下多孔介质圆柱受到附加阻力作用,并且在圆柱的喷射或吸收流体的特征速度与来流特征速度的比值是一个小量的时候,阻力系数与特征速度比成简单的线性关系。     

纤维缠绕角度对CFRP-Al混合圆管横向受载性能影响

基于准静态横向弯曲试验对缠绕工艺下制备的CFRP/Al混合圆管进行抗弯性能和吸能特性研究,分析了混合圆管的破坏模式,基于不同纤维缠绕角度的碳纤维复合材料-铝合金混合圆管三点弯曲试验结果,通过有限元仿真方法研究了内层纤维缠绕角度对其横向抗弯与吸能特性的影响。试验结果表明,CFRP-Al混合圆管横向载荷下的失效形式、损伤模式与纯铝管基本保持一致,但受纤维缠绕角度的影响失效形貌略有差异。纤维缠绕角度越小,CFRP-Al混合圆管的抗弯性能和吸能性越好,同时压溃效率(CFE)明显降低。基于验证的有限元模型,研究不同角度纤维缠绕内层对于表层纤维层的应力传递影响,小角度缠绕内层对于管件的轴向拉伸变形抑制增加了管件整体峰值载荷与吸能作用,大角度缠绕内层对于管件环向刚度的提升增加了整体压溃效率。依此分析可为合理设计CFRP-Al混合管提供有效依据。     

In-plane corrugated cosine honeycomb for 1D morphing skin and its application on variable camber wing

A novel 0-Poisson’s ratio cosine honeycomb support structure of flexible skin is proposed. Mechanical model of the structure is analyzed with the energy method, finite element method (FEM) and experiments have been performed to validate the theoretical model. The in-plane characteristics of the cosine honeycomb are compared with accordion honeycomb through analytical models and experiments. Finally, the application of the cosine honeycomb on a variable camber wing is studied. Studies show that mechanical model agrees well with results of FEM and experiments. The transverse non-dimensional elastic modulus of the cosine honeycomb increases (decreases) when the wavelength or the wall width increases (decreases), or when the amplitude decreases (increases). Compared with accordion honeycomb, the transverse non-dimensional elastic modulus of the cosine honeycomb is smaller, which means the driving force is smaller and the power consumption is less during deformation. In addition, the cosine honeycomb can satisfy the deform- ing requirements of the variable camber wing.     

Kármán涡街中旋涡三维变形的初步研究

本文用涡动力学及LIA方法作为基本理论模型,数值研究了尾迹中孤立涡和细涡丝的三维演化规律。结果表明,圆柱分离尾迹中的旋涡存在三维不稳定性。卡门涡在尾迹平均流场中演化产生三维的类似于马蹄形-勺子形的流场结构。细涡丝在涡辫区的三维演化形成趋向流场最大拉伸变形方向的流向涡结构。     

钛蜂窝体制备及压缩性能研究

采用融熔沉积快速成形法制备钛金属蜂窝结构材料,对粉浆制备、钛金属蜂窝结构蜡坯固化、脱蜡等工艺以及所制备的钛蜂窝体的压缩性能进行了研究.结果表明,采用融熔沉积快速成形可以制备钛金属蜂窝结构,工艺简单、尺寸可控,钛蜂窝结构的相对密度在9%～12.6%范围内,屈服强度和弹性模量的增加不大;相对密度超过12.6%后,屈服强度显著增加,但弹性模量增加的幅度不大.通过改变蜂窝体正六边形的边长或改变蜂窝体的壁厚均达到相同的相对密度条件下,蜂窝体的压缩强度差别不大,但对蜂窝体的弹性模量却有显著影响.