An advanced five-unknown higher-order theory for free vibration of composite and sandwich plates

Accurate prediction of dynamic characteristics is quite critical to understand the strength of layered structures. Nevertheless, the existing five-unknown higher-order theories encounter difficulties to forecast accurately the dynamic response of sandwich structures. Therefore, a new five-unknown higher-order theory is developed for free vibration analysis of composite and sandwich plates, which possesses the same degree of freedom as those of other five-unknown higher-order theories. The developed model can meet beforehand interlaminar continuity conditions and the free-surface conditions of transverse shear stresses. To assess capability of the proposed model, analytical solution for such composite structures with simply-supported conditions has been presented by employing Hamilton’s principle, which is utilized for analysis of mechanical behaviors of composite and sandwich plates. Compared with the three-dimensional (3D) elasticity solutions, 3D finite element results and the results obtained from the chosen five-unknown higher-order models, the proposed model can yield accurately natural frequencies of composite and sandwich plates. Even for the thick plates, the higher-order frequencies calculated from the proposed model are in good agreement with the 3D finite element results. By studying effect of the thickness/length ratios on natural frequencies, it is found that the proposed model is adaptable to predicting natural frequencies of the sandwich plates with the thickness/length ratios between 1/4 and 1/100. In addition, some factors influencing accuracy of five-unknown higher-order models have been investigated in detail. Finally, by means of numerical analysis and discussion, some conclusions have been drawn as well, which can serve as a reference for other investigators.     

Higher-order vibration of thick composite and sandwich plates based on an alternative higher-order model

The transverse stretching vibration of thick sandwich plates, which is attributed to largely different stiffness at the adjacent layers, is a challenging issue, and efficient approach for such issue is less reported in the published literature. Thus, natural frequencies corresponding to stretching vibration modes are generally neglected in engineering design, which might impact structural safety as frequencies of the exciting force are close to transverse stretching vibration frequencies. This paper proposes an alternative higher-order model for dynamic analysis corresponding to the higher-order vibration modes. The proposed model is classified in the displacement-based equivalent single-layer theory, as the number of displacement parameters in the proposed model is independent of the layer number. The continuity of displacements and transverse shear stresses can be fulfilled at the interfaces between the adjacent layers of structures. To demonstrate the capability of the proposed model, typical examples are analyzed by utilizing the proposed model, the three-dimensional finite element method and the chosen higher-order models. By comparing with the exact three-dimensional elasticity solutions, it is found that the proposed model can yield more accurate natural frequencies corresponding to the higher-order displacement modes than the selected models. Moreover, the factors influencing reasonable prediction of the higher-order frequencies are investigated in detail, which can provide a reference for the accurate prediction of the higher-order frequencies.     

轻质量低成本无人机舵面结构优化与验证

复合材料蜂窝夹芯结构因其高比强度、比模量及可设计性而广泛应用于航空飞行器结构。文章提出了 1种轻质量、低成本舵面结构方案——通过增大蜂窝芯密度使其剪切模量提高,进而降低复合材料面板应力水平,减小面板厚度。首先,根据理论选择通过增大蜂窝密度提升蜂窝剪切模量;然后,对结构进行有限元计算与分析,发现蒙皮应力水平随蜂窝芯剪切模量增大而显著降低;最后,设计不同蜂窝芯密度的蜂窝夹芯结构进行试验。试验结果证明,蜂窝芯越致密,其典型力学性能越高,冲击后的剩余强度也越高。     

一种含分层复合材料层合板高阶理论及有限元模型

本文提出了一种新的复合材料县合板高阶弯曲位移模式。此模式考虑了横向剪切的影响,得到一种新的厚板有限元模型。对于含有分层的单元,通过改变其单元内横向剪切应力的分布,达到改变单元刚度的目的。因此,此模型适用于任何厚度的或含有分层的复合材料层合板。     

考虑剪切和翘曲影响的直升机旋翼气弹稳定性分析

在中等变形梁理论的基础上,对桨叶变形体进行有限变形分析,推导出同时考虑剪切和翘曲影响的小应变、中等变形梁应变-位移关系,并构造出一个全新的21自由度梁单元,应用Hamilton原理导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上,研究了剪切和翘曲等非经典因素对无铰旋翼桨叶的动特性和悬停时气弹稳定性的影响。数值结果表明:剪切和翘曲对旋转桨叶的固有频率,尤其是高阶频率,有一定的影响,特别是随着转速的提高这种影响会变大;同时对悬停时桨叶的气弹稳定性有相当程度的影响,尤其是在高桨距角下这种影响是不能忽略的。     

粘弹性阻尼结构的动特性分析

本文研究了粘弹性阻尼结构动力特性的分析方法。根据分数导数模型表示的粘弹性材料本构方程,对一种阻尼材料用拟合法构造了它的力学性能解析表达式。建立了一种八自由度夹层梁有限元模型,从而给出了粘弹性阻尼结构的有限元动力学方程。为分析粘弹性阻尼结构的动力特性,提出了一种非线性特征值问题的迭代解法。应用上述方法对悬臂约束阻尼层梁的复模态参数进行了分析,并进行了实验验证。结果表明,分析与实验的结果一致,说明本文所提出的方法是可靠的且有较好的精度和实用性。     

热环境对飞行器壁板结构动特性的影响

 高超声速飞行器在巡航或再入过程中面临着严酷的气动力/热/噪声等复合环境,对热防护系统结构的完整性和耐久性提出了严峻挑战。热环境下的动特性是进行结构动态响应分析和优化设计的基础,本文对四周简支的飞行器热防护系统金属加筋壁板热动特性进行了分析,使用有限元软件NASTRAN建立分析模型,基于理论和有限元方法获得了壁板结构热屈曲临界温度,研究了热环境对固有振动频率和固有振型的影响,对比分析了均匀和非均匀温度场对结构模态的影响。结果表明,壁板结构在热环境下易发生屈曲,热模态分析中需考虑热屈曲、大位移变形等因素。同时证实热环境对壁板结构动特性影响较大,结构的固有振动频率随热环境下弹性模量的降低而减小,热应力对结构的固有振动频率和振型都有影响,当温度场分布改变时,固有振动频率的变化规律基本相同,固有振型则不同。     

用有限元素法分析转子-轴承系统动力学

 本文采用有限元素法分析转子-轴承系统的动力学问题。给出了模拟转子-轴承系统的动力分析程序（FEPRS程序）,该系统由刚性盘、弹性分布参量有限转子元素及离散轴承组成。用该程序能计算任何复杂转子系统在各种进动状态下的进动频率,并由计算机自动绘制相应的振型曲线。     

卡箍-管路系统固有特性计算与试验方法

以航空发动机中的卡箍-管路系统为研究对象,基于自主设计的卡箍刚度试验测试装置,对直径为8 mm的卡箍的线刚度和角刚度进行了试验测试。根据实测卡箍刚度,采用线性弹簧对其进行离散化等效处理,并基于自编有限元法建立了卡箍-管路系统的动力学模型。通过试验与仿真所获得的固有频率及频响函数的对比,从而验证了卡箍刚度测定及有限元模型的合理性,并进一步研究了拧紧力矩对卡箍-管路系统固有频率的影响。结果表明:拧紧力矩的增加会导致管路的固有频率增大,且针对所研究的卡箍,当拧紧力矩大于8 N·m时,管路固有频率逐渐趋于稳定。      

PMI 泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术研究

对PMI泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术进行了研究,通过对玻璃钢面板及其泡沫夹层结构性能、面板成型、泡沫热成形、泡沫拼接、玻璃钢泡沫夹层结构成型及无损检测等技术研究,确定了玻璃钢外面板、预先固化,然后与泡沫等复合组装,最后铺覆内面板,整体进罐固化的成型工艺。结果表明,玻璃钢面板纵、横向拉伸强度为602、593 MPa,模量为26.0、27.2 GPa,满足设计强度≥350 MPa、模量≥25 GPa的要求;玻璃钢/PMI泡沫夹层结构泡沫密度为(110±10)kg/m3,厚度28 mm,纵、横向侧压强度为32.9、30.5 MPa、模量为2.31、2.38 GPa,满足设计指标侧压强度≥25 MPa、模量≥2.0 GPa的要求,采用玻璃钢/PMI泡沫夹层结构分步固化成型工艺研制的首件新型号整流罩冯卡门锥段,满足设计使用要求。     

弹性空腔声振耦合试验相似动力学特性分析

针对典型弹性空腔声振耦合高速风洞试验问题,基于风洞试验相似原理,以典型弹性空腔为实例,采用量纲分析法建立了完全几何相似模型固有频率和频率响应的相似关系;结合结构有限元理论,通过引入完全几何相似模型作为过渡模型,建立了厚度畸变缩比模型固有频率和频率响应的相似关系;开展了缩比弹性空腔模型的固有频率及动力学响应的数值仿真。根据缩比模型的计算结果,利用已建立的相似关系对全尺寸模型的动力学响应进行预测,结果表明:预测响应曲线与实际计算结果曲线基本重合,验证了提出的缩比空腔模型固有频率及频响相似关系的可行性,为基于动力学相似的缩比弹性空腔风洞试验模型设计和声振耦合试验提供理论指导,且该相似关系的分析方法可推广应用于复杂外形薄壁结构的动力学相似关系建立中。      

航空铆钉连接件的抗冲击性能

以分离式Hopkinson拉杆装置为基础,设计了特殊的铆接试验件,对MS20615铆钉的铆接结构开展了动态加载下不同加载角度、不同加载速率的力学性能试验。结合其准静态试验结果,获得了铆接结构在纯剪切、30°拉剪耦合、45°拉剪耦合、60°拉剪耦合和纯拉伸试验下的力学性能参数。试验结果表明,加载角度、加载速率对铆接结构的失效载荷与失效模式有显著的影响。在试验结果的基础上,使用有限元软件LS-Dyna建立了铆接结构的简化模型,对比了试验和数值模拟得到的铆接结构载荷-位移曲线,并对简化数值模型进行了网格相关性分析,验证了简化的铆钉单元模型的可行性。     

CFRP反射器型面主动控制和作动器位置优化

研究了运用压电陶瓷作动器对碳纤维增强复合材料（CFRP）格栅反射器的型面主动控制。首先,采用了一种具有独立电压自由度的梁单元,以及考虑高阶剪切变形的板单元,对主控格栅反射器进行有限元建模;运用能量变分哈密尔顿原理推导了主控格栅反射器的有限元控制方程,并给出了反射面型面残余均方根（RMS）误差最小的电压最优控制方法。然后,研究了在典型载荷下,反射面残余RMS误差最小的PZT作动器位置分布的优化配置问题;提出了一种将遗传算法和梯度投影方法相结合的改进优化方法,用来求出在限定作动器数量的条件下,作动器几何位置的优化配置,使控制后反射面的残余RMS误差最小;给出的数值算例验证了方法的正确性和有效性。最后,研制了格栅反射器型面主动控制的实验样机,针对反射器的初始制造误差进行了型面主动控制,验证了控制方法的可行性和有效性。     

Boundary condition modelling and identification for cantilever-like structures using natural frequencies

The actual boundary conditions of cantilever-like structures might be non-ideally clamped in engineering practice, and they can also vary with time due to damage or aging. Precise modelling of boundary conditions, in which both the boundary stiffness and the boundary mass should be modelled correctly, might be one of the most significant aspects in dynamic analysis and testing for such structures. However, only the boundary stiffness was considered in the most existing methods. In this paper, a boundary condition modelling and identification method for cantilever-like structures is proposed to precisely model both the boundary stiffness and the boundary mass using sensitivity analysis of natural frequencies. The boundary conditions of a cantilever-like structure can be parameterized by constant mass, constant rotational inertia,constant translational stiffness, and constant rotational stiffness. The relationship between natural frequencies and boundary parameters is deduced according to the vibration equation for the lateral vibration of a non-uniform beam. Then, an iterative identification formulation is established using the sensitivity analysis of natural frequencies with respect to the boundary parameters. The regularization technique is also used to solve the potential ill-posed problem in the identification procedure.Numerical simulations and experiments are performed to validate the feasibility and accuracy of the proposed method. Results show that the proposed method can be utilized to precisely model the boundary parameters of a cantilever-like structure.     

复合材料风扇叶片力学性能试验研究与有限元分析

依照制定的规范化试验流程,进行额定工况和二倍超载工况下的静力加载试验和全寿命周期疲劳试验,以验证复合材料风扇叶片运转工况所需的力学性能试验,结果表明复合材料风扇叶片满足使用强度要求,具有足够疲劳寿命。试验流程制定和具体试验方法可为同类产品力学性能检测提供参考。提出一种曲面外形构件复合材料属性设置方法,基于该方法建立复合材料叶片有限元模型,应用该模型对复合材料叶片在额定工况离心力作用下的载荷-位移响应进行计算。计算所得载荷-位移曲线与试验结果基本吻合,验证了计算方法的合理性。     

客机复合材料APU舱门结构设计及分析

按照结构布局、适航要求及APU门载荷水平,对复合材料APU舱门结构进行设计研究.为满足防火要求和闪电防护要求,选择先进碳纤维复合材料和泡沫芯材,设计了一种复合材料夹层结构.利用有限元模型对夹层结构在气动载荷和风载作用下进行应力和位移分析,得到应变云图和变形云图,分析说明该夹层结构设计满足设计要求.通过对B737飞机APU舱门结构研究和重量提取,进行重量等效对比分析,结果表明该复合材料夹层结构比金属结构重量轻25.8％,减重效果明显.     

复合材料层合板弯曲振动高阶理论及有限元模型

本文提出了一种新的复合材料层合板高阶弯曲位移模式,此位移模式既考虑横向剪切的影响,又考虑了法向正应力的分布,进而建立的相当于三维弹性理论解的二维有限元模型,具有精度高、计算量并不大的优点。     

航空发动机空间管路系统的流固耦合振动特性

为了分析航空发动机空间管路系统的振动特性,提出了一种采用自定义管单元建立输液管路流固耦合有限元模型的方法.模型中的自定义管单元考虑了管路的横向流固耦合振动、轴向振动和周向扭转振动.管路系统中的支承采用非线性弹簧单元模拟.通过将自定义管单元的仿真结果与试验测试数据和经典理论解进行比较,验证了自定义管单元的正确性.研究了实际空间管路系统振动固有频率和响应特性.研究表明:随着内压增大,固有频率和临界流速均减小.同时得出了非线性刚度系数和激励幅值对管路系统简谐激励下受迫响应的影响规律.      

夹层板精密成形的数值模拟

为了实现基于“点阵钉模、真空负压、蜂窝夹层”的双曲度面板精密成形过程的有限元数值模拟,分析了成形 2个阶段的变形过程,建立了简化的力学模形,以一种广义协调薄板弯曲四边形位移单元为基础构造了具有公共横向位移自由度的几何非线性四边形四节点分别考虑和不考虑横向剪切的多层板单元,通过牛顿 -拉斐逊法结合载荷、位移约束量的增量法求解几何非线性方程,较好地再现了真实成形过程     

基于有限元方法的复合材料层合板自由振动分析

利用有限元分析方法分别研究了正交各向异性、对称角和反对称角铺设的正方形复合材料层合板的线性和非线性自由振动问题.结合一阶剪切变形理论推导出层合板自由振动的有限元方程,构造了三维有限元模型,并对其基频进行计算.数值结果与其他的文献的结果对照表明,用有限元方法求得的基频与用各阶剪切变形理论求得的结果非常接近,但对于厚板结果与经典Kirchhoff的结果有一些差距,对于其他理记是一致的.