一种准确预测层合梁结构层间剪应力的新锯齿理论

层合梁是航空航天领域典型的承力构件,而过大的层间剪应力（层间处的横向剪应力）是导致其分层失效的主要原因。针对常见的层数较多的复合材料层合梁以及材料属性差异较大的三明治夹层梁,现有的理论模型仍然无法准确预测其横向剪应力。通过构造一个新的线性分段锯齿函数,提出了一种能够准确预测层合梁结构横向剪应力的新锯齿理论模型。几个典型的数值算例表明,本文提出的新锯齿理论模型在计算层数较多和材料属性差异较大的层合梁时,具有较高的计算精度,能够准确预测层合梁的分层。另外,该模型预先满足横向剪应力层间连续条件,无需三维平衡方程后处理就能够准确预测层合梁的横向剪应力。位移场中未知量个数少,不含横向位移的一阶导,便于C⁰梁单元的构造。     

复合阻尼结构梁动力特性分析

提出一种基于Layerwise层合理论的复合阻尼结构梁单元用于计算嵌入多阻尼层的复合阻尼结构梁。通过与NASTRAN软件的计算结果进行对比，证明该梁单元满足层间位移、应力连续条件并避免了剪切自锁，并且具有单元数量和节点数量少、计算精度高的优点。     

含胶层复合材料梁构件性能分析

复合材料剪切模量通常比弹性模量低1个数量级,这就导致复合材料梁结构剪切效应比普通梁结构显著得多,尤其是梁截面高度较大的情况。作为夹胶玻璃等结构的复合材料支撑框架,复合材料方管梁翼缘通常存在较弱的胶层,此时复合材料梁横截面包含不同剪切模量的材料层,这就导致梁横截面在剪切作用下发生复杂的翘曲。剪切翘曲效应对梁结构的性能有着极大的影响,本文在分段线性位移场假设基础上,推导了对称面内变形的方管梁结构静力以及自振周期计算模型,并同经典梁理论计算结果进行对比,分析了梁几何参数、胶层力学参数等因素对两个模型计算误差的影响。计算结果表明,当胶层较弱时,弱层带来的层间剪切效应对梁的性能有着决定性的影响,此时经典梁理论不再适用。     

多点敷设支撑层的粘弹性约束阻尼梁振动分析

针对夹层约束阻尼梁结构的减振特性进行深入研究,在其基础上扩展多处敷设增设支撑层的约束阻尼,建立了多点铺设增设支撑层约束阻尼梁的振动特性模型,利用粘弹性材料的Maxwell模型、假设模态法、有限元理论和力学原理,结合功能特性方程和Lagrange方程,导出了增设支撑层约束阻尼梁的振动位移响应方程.通过对敷设双支撑约束阻尼简支梁在支撑层厚度变化的参数研究,可以看到增设适当厚度的支撑层能够达到更好的减振效果.     

基于柔度曲率矩阵的复合材料脱层损伤识别研究

利用复合材料的模态柔度曲率矩阵探讨了复合材料构件的无损检测方法。通过模态分析获得脱层复合材料梁的各阶固有频率及节点振型,计算得到模态柔度曲率矩阵判断复合材料梁的脱层损伤。基于梁结构损伤检测理论发展了基于柔度曲率矩阵的复合材料板结构脱层损伤识别理论,即纵向柔度曲率矩阵和横向柔度曲率矩阵。算例分析表明:对于单一脱层损伤,纵向和横向柔度曲率突变率分别是3.6310、5.4078倍。对于多处脱层损伤,小损伤处纵向和横向柔度曲率突变率分别是3.5350、5.902 8倍;大损伤处纵向和横向柔度曲率突变率分别是5.680 3、10.010 9倍。突变位置与预设的脱层位置一致。说明纵向和横向柔度曲率均能判断复合材料脱层损伤的位置和大小,且相对来说,纵向柔度曲率损伤识别效果更好于横向柔度曲率。     

偶应力理论层合梁的稳定性及尺度效应

将各向同性修正偶应力理论推广到各向异性,提出一个新的修正偶应力理论,基于虚功原理推导出梁的稳定方程和边界条件,建立了细观层合Timoshenko梁的稳定性模型并用于尺度效应分析.该模型含一个材料细观参数的基本方程与宏观层合梁的方程的算子相同,只需引入细观刚度参就可以直接由宏观解得到细观解.另外,该模型可以直接退化为Bernoulli-Euler梁模型.算例表明,建立的偶应力层合梁模型能够用于细观层合梁稳定性的尺度效应.     

复合材料MMB试件I-II混合型层间裂纹扩展分析

基于经典层合板理论及双线性黏聚区本构关系，建立了含一般分层裂纹层合板的理论模型，对I-Ⅱ混合型弯曲（MMB）断裂试件进行了裂纹扩展理论分析。提出了一种I-Ⅱ混合型断裂叠加模型，引入I型裂纹分量的刚体转动位移，同时考虑了裂纹长度超过试件半长后中部载荷分量对裂纹扩展的闭合效应，并根据黏聚区力学响应，分段获得了位移函数通解。结合叠加模型的边界条件与连续性条件，分析了MMB试件的裂纹扩展过程，求解获得了载荷-位移曲线。通过与梁模型预测以及试验结果进行对比，验证了本文模型对I-Ⅱ混合型裂纹扩展预测的有效性和准确性，并讨论了初始断裂模式混合比及闭合效应对裂纹扩展过程的影响。结果表明：初始Ⅱ型裂纹比重较大时，中部载荷的闭合效应更为明显，可能出现I型裂纹完全闭合的情况；裂纹扩展过程中，当裂纹长度小于试件半长时，断裂混合比基本保持常数；当裂纹扩展超过试件半长后，闭合效应明显，混合裂纹形式逐渐向单一型断裂模式退化。     

增强型整体-局部高阶理论四边形单元层合板自由边分析

基于增强型整体-局部高阶理论,构造了四节点四边形单元并分析复合材料自由边拉伸问题.本理论预先满足层合板面内位移和层间应力连续条件及层合板上下自由表面条件,未知变量个数不依赖于层合板的层数.精化四节点四边形单元满足单元间C1弱连续性条件.数值结果表明,基于增强型整体-局部高阶理论构造的四边形单元能够精确分析自由边拉伸问题.层间横向剪切应力能够直接从本构方程中计算得出,而横向法应力则需在一个单元内使用局部三维平衡方程.     

一种考虑截面任意变形模式梁的有限元模型

提出了一种考虑截面完整变形的截面插值梁模型,并用于机翼结构的建模与分析。首先引入截面插值函数——拉格朗日函数描述截面形状,以位移向量为未知变量描述截面位移,在此基础上依据插值理论构造梁单元位移场。不同于传统梁单元通过假定的中性轴的挠度和转角来确定梁截面各点位移,该梁模型摒弃了中性轴假设与平截面假设,通过截面插值函数得到梁截面面内、面外变形;然后通过有限元理论推导了梁单元刚度矩阵与质量矩阵;最后利用截面插值梁单元对机翼各部件进行有限元建模,并展开典型工况下的静力学分析以及动力学分析,与Nastran实体单元计算结果进行了对比分析,验证了该梁模型的有效性,为机翼的结构设计和强度分析提供了一种新的简化建模方法。     

固体推进剂/衬层界面脱粘裂纹的三区域界面层模型

将固体推进剂/衬层粘结界面层按照剪切模量的变化分成三部分,由此建立了其界面脱粘裂纹的三区域界面层模型。应用Fourier积分变换和传递矩阵方法,推导并数值求解Cauchy奇异积分方程,得到了反平面剪切状态下裂纹问题的半解析解,并讨论了界面层模量和厚度对断裂参量的影响。结果表明,界面层模量随贮存时间的延长而降低时,应力强度因子逐渐减小,但裂纹张开位移变化不大;界面层厚度对应力强度因子的影响则不明显。     

含椭圆分层复合材料层板三维问题的三角级数能量解法

根据叠加原理将含有椭圆形内部分层的层板在横向载荷作用下的受力状态进行分解 ,从而将分层问题归结为在分层表面上的附加剪切载荷作用下层板附加位移与附加应力的分析 ,并据此建立了一个仅包含分层区的力学模型。然后利用双三角级数构造满足层板分层区位移边界条件的位移模态。最后 ,应用最小势能原理确定位移解。计算结果收敛 ,挠度收敛尤为迅速。     

复合材料帽型筋条脱粘的失效机理分析

复合材料加筋结构承受后屈曲载荷时,蒙皮局部屈曲会导致筋条承受面外弯曲载荷,极易引起蒙皮与筋条的界面脱粘,最终导致结构破坏.通过四点弯曲试验模拟加筋结构受后屈曲载荷时的蒙皮/筋条界面性能,建立渐进损伤模型,分别考虑筋条与蒙皮胶接界面以及复合材料层板的失效,并引入材料刚度退化模型,详细分析蒙皮/筋条界面的脱粘机理和失效过程.分析结果与试验结果一致,表明加载跨距对于结构的失效形式影响较大,90 mm加载时,胶层均首先失效于筋条与蒙皮内角处的胶接界面,且主要受Ⅱ型剪切模式影响;而150 mm加载情况下胶层均首先失效于翼缘自由端与蒙皮交界处.正向加载时胶层失效主要受Ⅰ型和Ⅱ型混合模式影响,反向加载胶层主要受Ⅱ型剪切模式影响.界面脱粘以后,随着载荷增加,筋条腹板与缘条转角外侧出现分层破坏,损伤模型预测结果与超声扫描检测结果一致.     

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.     

复合材料叠层板壳有限元的渐近解

 本文针对复合材料叠层板壳结构建立了一个分层计算的有限元模型,此模型的特点是以参考面的位移和各层横向剪应变作为独立的自变量,导出了叠层板壳的有限元模式,这是和原有分层模型的本质区别,从而具有以下优点:(1)刚度矩阵具有良好特性,可采用渐近法求解,大大提高了计算效率,克服了分层模型中的最大困难;(2)完全避免了较薄的板壳在有限元计算中常发生的“剪切自锁”现象;(3)较精确地考虑了各层的剪切效应,无须再引入剪切修正系数。还采用此模型较好地解决了任意铺层的叠层板弯曲、叠层板脱层屈曲和承受任意载荷的轴对称叠层壳的弯曲等问题,证明了此模型的优点和可靠性。此模型还极易推广应用于叠层板壳的动力、稳定和层间应力等问题。     

Effect of interface debonding on matrix multicracking evolution of fiber-reinfroced ceramic-matrix composites

An analytical methodology was developed to investigate the effect of fiber/matrix interface debonding on matrix multicracking evolution of fiber-reinforced CMCs(ceramic-matrix composites). The Budiansky-Hutchinson-Evans shear-lag model was adopted to analyse the micro-stress field of the damaged composites. The critical matrix strain energy criterion, which presupposes the existence of an ultimate or critical matrix strain energy with matrix, was obtained to simulate the matrix multicracking evolution of CMCs. With the increase of the applied stress, the matrix multicracking and fiber/matrix interface debonding occurred to dissipate the additional energy entered into the composites. The fiber/matrix interface debonded length under matrix multicracking evolution was obtained by treating the interface debonding as a particular crack propagation problem. The conditions for no-debonding and debonding during the evolution of matrix multicracking were discussed in terms of two interfacial properties, i.e., the interface shear stress and interface debonded toughness. When the fiber/matrix interface was bonded, the matrix multicracking evolution was much more intense compared with the interface debonding; when the fiber/matrix interface was debonded, the matrix crack density increased with the increasing of interface shear stress and interface debonded energy. The theoretical results were compared with experimental data of unidirectional SiC/CAS(calcium alumina silicate), SiC/CAS-Ⅱ and SiC/borosilicate composites.      

复合材料层板小挠度理论的改进

改进了复合材料层板高阶剪切变形理论。改进后的理论与一阶剪切变形理论同样只有5个独立变量,但考虑了横向剪切应变沿板厚呈二次曲线变化及满足了层间剪应力的连续性。该理论比简单高阶理论计算的位移和应力更为精确,且逼近三维弹性解。     

带摩擦阻尼叶片与轮盘耦合系统的振动分析

本文用非比例粘性阻尼等效航空发动机叶／盘耦合系统振动时叶片上凸肩（冠）接触面间产生的摩擦阻尼效应对叶／盘系统固有振动特性及响应特性的影响。利用由滞后弹簧摩擦模型所得到的等效粘性阻尼及等效刚度系数,在局部坐标下建立接触面间的刚度及阻尼矩阵,以分析阻尼对叶／盘系统的减振效应。文中所建立的基本公式、分析方法、由计算所导出的无因次曲线及振型与振动应力分布的后处理云图,可供叶轮机的设计、研制、排故及改型参考。     

含分层缺陷复合材料层合板分层扩展研究

采用基于粘聚区模型(CZM)的粘接元方法对含分层缺陷复合材料层合板进行了分层扩展研究。在缺少材料层间试验数据的情形下,应用了一种参数估算法确定粘接元的界面强度和刚度,并计算得到了含分层缺陷复合材料层合板的分层起始及扩展载荷,计算结果与试验值吻合良好,验证了所用方法的有效性。在此基础上,分析了不同分层位置对分层屈曲载荷、分层起始及扩展载荷的影响,并讨论了铺层角度对分层扩展方向的影响。