铆接加筋板应力强度因子计算中几个问题的研究

给出了采用J积分法计算加筋板应力强度因子时选择积分回路的方法;同时给出了采用刚度导数法计算加筋板应力强度因子时刚度导数的计算方法;另外,还对模拟铆钉连接作用的3种方法进行了初步研究。     

Parametric instability of twisted cross-ply laminated panels

The present paper deals with the study of the vibration, buckling and parametric instability characteristics of general laminated cross-ply pre-twisted cantilever flat and curved panels. The effects of angles of pre-twist, aspect ratio, static load factor, and the lamination parameters of the cross-ply twisted curved panels on the principal instability regions are studied using Bolotin?s approach. An eight-noded isoparametric quadratic shell element with five degrees of freedom per node is used to develop the finite element procedure. The first order shear deformation theory is used to model the twisted cross-ply curved panels considering the effects of transverse shear deformation and rotary inertia. The linear part of the strain is used to derive the elastic stiffness matrix and the non-linear part of the strain is used to derive the geometric stiffness matrix. The global matrices are obtained by assembling the corresponding element matrices using skyline technique. Subspace iteration method is used throughout to solve the eigenvalue problem. Reduced integration technique is adopted in order to avoid possible shear locking. Based on the parametric studies, it is found that the instability behavior of twisted cross-ply cantilever panels is greatly influenced by the geometry, material, angle of twist and lamination parameters. So, this can be used to advantage in tailoring during design of crossply twisted cantilever panels.     

压缩载荷下复合材料加筋板屈曲参数研究

基于复合材料加筋板的双胞单元模型和势能最小原理,运用解析算法给出了简支条件下复合材料纵向加筋板临界屈曲载荷方程,对影响复合材料加筋板临界屈曲栽荷的主要参数：加筋板各项异性比,筋条的弯曲刚度,筋条间距和加筋板的长度进行了研究。解析算法和有限元方法给出了不同参数对复合材料加筋板屈曲载荷的影响水平。研究结果表明：针对不同筋条间距的复合材料加筋板筋条弯曲刚度存在一个阀值,当筋条高度大于阀值时,屈曲载荷不会随筋条弯曲刚度的增加而增加;给出的临界屈曲载荷方程可以方便的计算出压缩载荷下简支加筋板的屈曲载荷。     

复合材料加筋板冲击后损伤容限研究

研究复合材料加筋板受冲击后的损伤演化具有较高的工程应用价值。首先,以某型无人机拟应用的复合材料加筋壁板(T300/BA9913)为研究对象,对其进行低速冲击试验;在壁板中央处和肋与壁板胶结处进行冲击,其冲击能量取6.67 J/mm,测量凹坑深度和分层损伤面积。然后,应用商业软件ABAQUS,编写相应的VUMAT子程序对冲击损伤进行模拟,软件中采用适宜的材料模型、单元种类并建立不同属性的接触,把基于应变的三维Hashin准则运用于复合材料单层板的损伤失效准则中去。最后,运用基于断裂韧度的连续的刚度退化方针对材料的刚度折减。将所建立的冲击模型的模拟结果与冲击试验数据进行对比,证明了冲击模型的有效性和准确性。     

基于电极切向旋转进给法的 低刚度锥杆类零件精密电火花加工

提出了基于圆盘电极切向旋转进给法的低刚度锥杆类零件的电火花精密加 工方法。首先介绍了基于等厚损耗原则的圆盘电极设计原理,进而通过电火花加工工艺 的三因素全因子实验考察了峰值电流、脉宽、占空比对工件材料去除率（MRR）、相对 电极损耗率（TWR） 和表面粗糙度（SR） 的影响, 并对电火花加工工艺参数进行优化 从而应用于锥杆类零件的加工。加工出的反馈杆性能一致性高、表面质量好,加工时间 短,试验结果表明基于圆盘电极切向旋转进给法的电火花加工工艺对提高低刚度锥杆的 加工工艺的可靠性和加工效率、提高电极利用率方面有较大优势。     

轻质材料与结构的一体化设计

针对多孔材料微结构构型的可设计性,基于材料多尺度均匀化计算理论,提出以宏观结构最大刚度为目标,材料微结构构型为变量的材料与结构一体化设计新方法,实现了材料宏观布局设计与材料微结构精细设计的统一。采用凸规划对偶优化求解技术与二次型周长约束格式相结合的途径,实现了快速求解与材料分布棋盘格效应的控制。数值计算结果表明,在材料用量一定的情况下,本方法能有效地实现蜂窝结构及夹层结构的拓扑优化设计,为满足极端环境下航空航天结构的设计需求提供了新的设计思想。     

拉杆组合转子的刚度修正及动力学建模

为研究拉杆组合转子的动力学特性并比较其与整体式转子的差异,基于集总参数法,提出了一种拉杆组合转子动力学建模的方法.该方法通过对整体式转子梁模型抗弯刚度的修正,可以考虑接触、预紧力和拉杆等因素的影响.首先分别分析了这3个因素对等效梁静态抗弯刚度的影响,给出了相应的修正系数.研究结果表明:接触界面和拉杆对轴段抗弯刚度的影响很大,而轴向预紧力的影响较小.然后,针对一模化实验拉杆组合转子,计算了各轴段的修正系数并建立了动力学模型.其临界转速计算值和实验结果吻合,误差仅0.8%,表明了方法的正确性.研究可为其他组合式结构的动力学分析和设计提供参考和借鉴.      

机翼壁板随机裂纹扩展统计分析

依据某运输机机翼壁板等疲劳裂纹扩展的试验结果进行统计分析,给出了一种壁板可靠性分析的工程模型及数值结果,文中采用了Weibull分布获得给定置信度下的P-da/dN-△K曲线,进而又对相同可靠度下不同壁板刚度比的疲劳裂纹扩展速率进行了比较,这些结果可为飞机结构耐久性损伤容限及可靠性设计提供依据。     

A new analysis model for the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress

The paper deals with the analysis of the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress as used, e.g. in aircraft fuselages. An important criterion for sizing and certification of aircraft fuselages is the local and global buckling behaviour. For optimisation of stiffened metallic panels it is necessary to know the buckling and postbuckling behaviour as accurately as possible. Due to the fact that nonlinear FE analyses of a whole aircraft fuselage are too time consuming, a very fast quasi nonlinear FE analysis with a coarse mesh under consideration of semi-empirical methods for the effective skin-stiffness are used. At this point the effective stiffness method derived in this paper is used. Admittedly previous semi-empirical methods like the effective width method [J. Wiedemann, Leichtbau 1: Elemente, second ed., 1996; M.C.Y. Niu, Airframe Stress Analysis and Sizing, second ed., Commilit. Press Ltd., 1999] (only for pure compression load) or the method of Kuhn [P. Kuhn, J.P. Peterson, L.R. Levin, A summary of diagonal tension part I – methods of analysis, Technical Note 2661, NACA, 1952] (only for pure shear load) have disadvantages for the general combined compression and shear load case. This is improved in the current method.The first part of the paper deals with the realisation of the compression and shear test facility in a finite element model. The verification of the finite element model is important for subsequent parameter variations. The second part of the paper presents the approach of how to assess the effective skin-stiffness. In comparison to the paper in [M. Heitmann, P. Horst, D. Fitzsimmons, Effective stiffness of postbuckled stiffened metallic panels under combined compression and shear stress, J. Strain Anal. 38 (6) (2003) 534–555] many new parameters have been analysed. Therefore the new approach for the geometrically nonlinear analysis derived from the finite element results for combined compression and shear stress is considerably improved. At the end of the paper the great benefit of the new approach is shown. The results of very fast quasi nonlinear FE analyses under consideration of the new approach for the effective skin-stiffness on a coarse panel mesh agree well with the results of time expensive nonlinear FE analysis on a very fine panel mesh. Further studies are necessary to expand the new method to the influence of plasticity.     

不同筋条刚度下复材加筋板剪切稳定性分析

在面内纯剪切载荷作用下,复合材料加筋壁板易丧失稳定性。通过试验与有限元仿真方法研究不同筋条刚度配比对复合材料加筋壁板屈曲及后屈曲行为的影响。试验中采用莫尔云纹观测法对试验件的屈曲模态进行定性观测,根据试验数据对试验件屈曲承载能力进行评估。研究结果表明:在保持筋条横截面积不变,只改变下缘条宽度和腹板高度的情况下,随着腹板高度的增加(下缘条宽度减小),筋条相对蒙皮的惯性矩增大,屈曲载荷逐渐减小;筋条刚度对屈曲载荷影响较大,对破坏载荷影响很小。有限元模拟结果与试验结果吻合较好。     

一种特殊梁的有限元分析

通过对含有裂纹的梁局部的特殊处理, 得出含裂纹单元的应力强度因子, 建立了该单元刚度矩阵, 进而建立了梁整体的有限元分析平衡方程。     

复合材料格栅结构稳定性与优化分析

阐述了复合材料格栅结构稳定性及优化分析方法研究概况。指出在格栅结构初级设计阶段可利用拟膜分析法对等效的格栅平板、圆筒及锥筒进行整体屈曲计算即可,而对于复杂构型格栅结构,由于不对称性及拉-压-扭耦合效应存在很难获得解析解,需借助有限法对结构进行非线性求解而求得其真实力学响应,同时还介绍了其他算法,如遗传算法。最后介绍了复合材料格栅结构破坏机理的一些试验方法。     

电场及双向压缩下含压电层的对称层合圆柱壳体的动力稳定性

 应用一阶剪切变形理论, 分析了简支边界有限长含压电层的对称层合圆柱壳及壳块在谐变电场及双向周期荷载作用下的动力稳定性问题, 并用模态展开的方法得出一阶动力不稳定区。选择几种模态为例说明材料的压电性、壳体几何参数和加载形式对不稳定区的影响。结果表明此类压电复合结构的动力不稳定区主要由结构自身刚度及外载所决定, 而受外加电场及压电效应影响很小。     

基于本征方程的柔性机翼非线性颤振分析

柔性机翼在气动载荷作用下常常会产生较大的变形,颤振特性会随之发生变化,针对此问题线性理论常常难以进行合理的预测。以几何精确本征梁模型建立了机翼的运动方程,耦合ONERA-EDlin非线性气动模型,建立了柔性机翼的非线性气动弹性分析模型。利用Newton-Raphson和Backward-Differentiation-Formula(BDF)分别求解机翼的静态变形和动态响应,基于机翼平衡位置附近的线性化方程来判断系统的稳定性,进而确定颤振临界速度。通过算例验证了模型的准确性,并分析了不同刚度、后掠角、机翼安装角等参数对颤振速度的影响。     

非对称铺层复合材料板室温形状的非线性有限元分析

由于一般铺层复合材料板壳存在拉伸-弯曲、拉伸-扭转等耦合效应,在温度变化时将出现垂直于中面方向的翘曲变形,给工程使用和理论分析带来了极大的不便。但另一方面,利用非对称铺层复合材料板壳可以有效地减轻结构的重量,并可能提供利用平面模具制造曲面层合壳的新工艺。     

基于正负刚度并联的低频隔振器研究

为了能够抑制微振动对在轨运行航天器造成的不利影响,提出了一种由螺旋柔性弹簧（SFS）与磁性弹簧并联构成的低频隔振器;其中,螺旋柔性弹簧作为正刚度元件为系统提供承载能力,并通过有限元建模对其轴向刚度特性进行了数值分析;由两两相吸、同轴配置的3块环形永磁体构成的磁性弹簧为该隔振系统沿轴向提供负刚度以降低系统的固有频率;基于等效电流模型分析讨论了该磁性弹簧的磁刚度特性,并在平衡位置附近对磁刚度作了线性近似。通过分析所设计的低频隔振器与其相应线性隔振系统的位移传递率,比较了2种隔振器的隔振性能。研究结果表明：所提出的低频隔振系统能够有效地隔离低频微幅振动,降低系统的固有频率,进而拓宽了隔振频带;同时,进一步改善了隔振系统在共振区域附近的阻尼特性,有效地降低了共振峰值。     

基于ABAQUS的疲劳裂纹扩展程序二次开发及应用

基于ABAQUS有限元软件平台,应用它的脚本接口二次开发出一套可以用于自动计算疲劳裂纹扩展的程序包。该程序包可以实现参数化有限元建模、访问输出数据库及进行其他后处理,从而避免重复建模及分析结果,显著提高分析效率。最后,运用该程序包模拟了飞机中常用的整体壁板疲劳裂纹扩展轨迹并分析了筋条刚度对裂纹扩展速率的影响。     

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。     

复合材料帽型加筋壁板轴压屈曲工程算法验证研究

计算复合材料加筋壁板轴向压缩屈曲载荷的方法会根据不同工况而各异。文章研究了四边简支、四边固支等边界条件下,考虑帽型加筋桁条底脚对蒙皮的支撑作用,按不同的厚度折算方式时,多种工程理论计算方法对复合材料帽型加筋壁板试验件轴向压缩屈曲载荷分析的适用性,并将工程理论计算结果与试验值进行了对比。计算结果表明,多种方法中只有四边固支,并假设桁条与蒙皮轴向刚度相等进行的加筋桁条底脚厚度折算时,最终计算的结果才与试验值吻合较好,误差在可接受范围。由于试验件批量若干,试验件的相关结构参数、铺层顺序以及边界条件具有典型性和代表性且与工程实际结构有相关性,故该方法对于飞机工程型号设计以及强度分析快速计算具有参考和借鉴意义。     

薄壁结构的加筋布局优化设计

采用拓扑优化方法研究了薄壁结构的加筋布局优化问题。考虑到航空航天领域薄壁加筋结构的大量使用与结构形式的复杂性,提出了一种适用于有限元自由网格剖分的加筋设计新方法——几何背景网格法。该方法一方面通过定义几何背景网格的大小,实现了加筋设计域内任意离散网格沿加筋高度方向的布局参数化定义;另一方面,通过背景网格曲线坐标系下的定义,实现了三维曲面薄壁壳结构的加筋布局设计。采用该方法分别对平面结构与曲面薄壁结构进行了以结构刚度最大为目标的加筋优化设计。数值结果表明,所提出的方法能有效获得合理的加筋布局。