纺织复合材料预制体变形研究综述

以具有良好整体性能的织物作为增强体的纺织复合材料克服了传统复合材料层间剪切强度低、抗分层能力差、开裂敏感等缺点,且具有优异的近净成形能力,易于成型。这些优点使得这种复合材料被越来越广泛地应用于航空航天、船舶、汽车、医疗器械等领域。纺织预制体的可变形性对其渗透率及最终复合材料构件的力学性能有着重要的影响。简要介绍了二维和三维织物的结构特点;阐述了织物的拉伸、横向压缩、面内剪切和弯曲变形机理;基于数值模拟和试验方法,综述了国内外预制体变形研究的进展;最后,展望了预制体变形数值模拟的发展方向。     

Multi-objective optimization of different dome reinforcement methods for composite cases

A multi-objective optimization method was proposed for different dome reinforcement methods of a filament-wound solid rocket motor composite case based on a Radial Basis Function (RBF) model. Progressive damage of the composite case was considered in a simulation based on Hashin failure criteria, and simulation results were validated by hydraulic burst tests to precisely predict the failure mode, failure position, and burst pressure. An RBF surrogate model was established and evaluated by Relative Average Absolute Error (RAAE), Relative Maximum Absolute Error (RMAE), Root Mean Squared Error (RMSE), and R² methods to improve the optimization efficient of dome reinforcement. In addition, the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) was employed to establish multi-objective optimization models of variable-angle and variable-polar-radius dome reinforcements to investigate the coupling effect of the reinforcement angle, reinforcement layers, and reinforcement range on the case performance. Optimal reinforcement parameters were obtained and used to establish a progressive damage model of the composite case with dome reinforcement. In accordance with progressive damage analysis, the burst pressure and performance factor were obtained. Results illustrated that variable-angle dome reinforcement was the optimal reinforcement method compared with variable-polar-radius dome reinforcement as it could not only ensure the reinforcement angle’s continuous changing but also decrease the mass of composite materials. Compared with the unreinforced case, the reinforced case exhibited an increase in the burst pressure and performance factor of 36.1% and 23.5%, respectively.     

飞机橡皮囊成形零件毛坯精确预示方法研究

 橡皮囊成形是飞机钣金零件成形的主要方法之一,其初始毛坯形状的预示是橡皮囊成形中的一个难点问题。针对橡皮囊成形的工艺特点,提出了一种基于一步逆成形有限元法的飞机橡皮囊成形钣金零件毛坯快速精确预示方法。首先将设计好的飞机钣金零件作为最终构形,然后采用一步逆成形有限元法进行初始毛坯的快速反向模拟,最后将通过该方法获得的毛坯外形应用到实际飞机钣金橡皮囊成形中,实验结果表明该方法可以快速精确地预示出飞机橡皮囊成形钣金零件的初始毛坯形状。     

液-固挤压铝基复合材料动态系统建模方法

 液态浸渗挤压是一种可以由液态金属直接成形复合材料管、棒、型材的新工艺,针对该工艺过程参数和成形过程难于控制的现存问题,在对其辨识建模特点进行深入分析的基础上,采用基于U-D分解的非线性模型和参数在线估计方法,辨识出液-固挤压铝基复合材料过程的动态模型。实验结果表明,该方法可以提高模型和参数在线估计的计算效率和数值稳定性,辨识模型能很好地反映系统的动态特性,说明该在线估计方法工程应用的有效性,同时也为液-固挤压复合材料工艺的实际应用和过程控制奠定了基础。     

复合材料层合板开口补强技术试验研究

国内外学者对复合材料开口非对称补强做了很多研究,但主要集中在小开口的插层补强及共固化补强上。对用机械连接补强技术和插层补强技术补强后的层合板,进行拉伸和剪切试验;并采用有限元方法对补强后的复合材料层合板进行数值仿真,仿真结果与试验结果吻合得较好。经试验研究和数值仿真,得到各补强方案在各工况下的最大应变位置,并将不同补强方案进行对比。结果表明:插层补强方案优于机械补强方案。     

激光快速成形Inconel 718拉伸性能和ANSYS模拟分析研究

采用激光快速成形技术制成Inconel718材料，对其拉伸性能和微观组织进行分析。结果表明，其拉伸性能和微观组织均具有各向异性。采用ANSYS分析软件得出试样拉伸应力分布图，通过模拟数据与试验数据对比，两者应力-应变曲线得到很好吻合，为Inconel718材料复杂机械构件在研制阶段通过有限元分析提供设计依据。     

基于Modelica和Dymola的压气机系统的建模与仿真方法

基于压气机性能方程推导出一种新的压气机级的数学模型，并在这一模型基础上用Modelica语言和Dymola编译器建立了计算机仿真模型，编成了压气机系统仿真程序。还描述了压气机仿真程序建模系统和面向对象的体系结构，介绍了压气机系统特性分析的应用例子，并进行了仿真验证。结果表明，采用建立的仿真模型能够用来模拟压气机性能。     

基于CDM-CZM的复合材料补片补强参数分析

 复合材料开口补强设计参数的确定对于结构设计具有重要的意义。针对复合材料层合板开口区补片补强结构,采用各向异性材料连续介质损伤力学模型(CDM)对复合材料层合板的损伤演化进行描述,采用粘聚区模型(CZM)对补片与母板间界面材料的分层损伤进行模拟,建立了复合材料开口区补片补强结构三维非线性渐进损伤模型,模型可预测补强结构强度和损伤演化过程。应用本文模型分析了补片铺层方式、补片厚度和补片半径3个主要设计参数对补强效果的影响,明确了补片与母板间界面材料分层损伤破坏是导致补强结构最终失效的主要原因。     

碳/碳多孔防热复合材料压缩性能研究

常见高性能热防护材料的力学性能较为薄弱,这成为了飞行器热防护系统发展的瓶颈。因此,如何设计热防护材料,使其具有良好隔热效果同时兼具足够的承载能力,成为当前的研究热点。本文针对碳/碳多孔防热复合材料进行了单轴压缩实验,获得了其压缩应力—应变曲线,研究了其压缩变形特征及相应的失效模式,并通过SEM观测变形前后的材料细观结构,分析了材料内部的细观变形机制,也为进一步建立表征材料内部细观结构特征的有限元模型和进行数值模拟研究奠定了实验基础。实验结果表明:材料内部纤维主要沿面内随机分布,呈现出明显的分层现象。受其结构的影响,该材料面内方向力学性能比厚度方向优越。     

基于频响函数的复合材料空间分布模量场识别

针对纤维编织复合材料宏观力学性能的非均匀特性,提出了基于频响函数(FRF)的复合材料梁空间分布弹性模量场的识别方法。采用基于灵敏度分析的方法构造优化问题,以实测和计算加速度频响残差范数最小为目标函数,进而通过迭代求解识别出复合材料梁弹性模量的空间分布。首先,以悬臂梁模型为研究对象进行数值仿真分析,验证识别方法的正确性。进一步开展复合材料梁模态试验研究,将复合材料三点弯曲试验获取的近似均质化弹性模量作为优化问题的初值;利用非接触测量方法获取模态试验中梁上各测点处的动位移响应,并计算得到各测点的加速度频响函数作为优化问题的输入值。结果表明:采用所提出的识别方法获取的模量场计算得到的梁上各处频响函数与试验获取值吻合,且所提方法在实测动响应存在噪声污染工况下是可行的。该方法能够为复合材料等效建模提供更加准确的弹性模量场。     

钛合金筋板类构件局部加载成形有限元仿真分析中的摩擦及其影响

局部加载等温成形为大型钛合金筋板类构件省力、高性能成形制造提供了有效的途径。然而其成形过程复杂,材料参数、几何参数、工艺参数高度耦合作用,精确预测困难。有限元仿真为此类复杂成形问题的分析和优化提供了有力的工具。而摩擦模型和摩擦条件是数值模拟的重要边界条件之一,影响到预测结果的精度及可靠性。本文着重分析了库伦摩擦模型、剪切摩擦模型、库伦-剪切摩擦模型、库伦-粘着摩擦模型以及摩擦大小对筋板类构件局部加载成形仿真分析结果的影响。研究结果表明:剪切摩擦模型适用于局部加载成形过程的建模仿真;确定精确的摩擦条件可降低载荷预测误差15%以上;主动调控局部区域摩擦条件可改善局部加载成形过程的充填、减少缺陷。     

纤维增强复合材料层合板分层扩展行为研究进展

纤维增强复合材料层合板在航空航天等领域被广泛应用,分层损伤是层合板主要的损伤形式,一直是复合材料力学研究的焦点问题之一。本文从试验研究、理论分析和数值模拟3个方面对国内外在纤维增强复合材料分层问题所取得的研究成果进行了系统综述,重点介绍了单向复合材料I型、Ⅱ型和I/Ⅱ复合型层间断裂韧性测试方法和原理以及多向层合板分层扩展行为的试验研究。得到了表征和评价分层失效机理和扩展行为的纤维桥接模型、静力分层扩展准则和疲劳分层模型,并详细阐述了采用内聚力模型（CZM）、虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和扩展有限元方法（XFEM）等先进数值方法模拟分层扩展的研究现状。最后,对复合材料层合板分层扩展研究的发展方向进行了展望。     

大型复合材料箱体成型模具设计

为了制造合格的大型复合材料箱体,本文制定了箱体成型模具的设计和制造方案.某复合材料箱体属于大型长轴类产品,其成型模具挠曲变形及脱模力大.模具主体采用通长轴、周向辐板、轴向筋板和蒙皮组合的结构形式.模具通过无缝钢管、模具骨架及蒙皮形成的三维网状结构有效保证模具刚度,通过带斜度工作平面及变圆角设计大大降低脱模力,通过在顶出...     

高可靠度TC17基复合材料叶环破裂转速预测技术研究

为了建立安全可靠预测TC17基复合材料叶环破裂转速的方法,尽快实现其工程应用,开展了SiC连续纤维增强TC17基复合材料叶环结构破裂转速预测技术研究。测定了复合材料叶环成型过程所导致的TC17基体力学性能变化规律,仿真分析了由于热不匹配导致的热残余应力对复合材料叶环强度的影响。考虑复合材料试棒和叶环结构的差异,建立了基于复合材料试棒拉伸强度极限的高可靠度复合材料叶环破裂转速预估准则。完成了复合材料叶环强度试验件设计、制备和试验验证,并对试验件进行了断口分析。结果表明：复合材料叶环成型后,TC17基体合金本构模型将发生改变,其屈服和拉伸强度都有较大程度的下降,强度分析时应予以考虑。复合材料叶环成型工艺所导致的叶环热残余应力使得复合材料增强芯的同一半径处的周向应力沿轴向产生了梯度,其周向和径向最大应力均有明显降低,还导致叶环残余变形最大位置发生了变化。在旋转试验过程中,应变实测值与仿真结果相近。断口分析结果证明本文研究的复合材料叶环结构实际破裂模式为周向破裂,与所建立的仿真方法和评估准则预测的破裂模式一致,且破裂转速的预测精度较高,并保证了设计的安全性,可满足工程应用需求。     

复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究

胶接是复合材料结构主要连接方法之一,对胶接接头进行应力分析是保证复合材料安全性、耐久性的关键。在初步设计阶段,一般采用解析方法对胶接接头进行应力分析及参数研究。针对复合材料双搭接和单搭接胶接接头,在Tsai等人的理论分析方法（TOM方法）基础上,提出了一种改进的搭接接头剪应力分析方法,该方法考虑了被胶接件的剪切变形,认为被胶接件只有在靠近胶层的半个厚度上产生剪切变形,剪应力沿该半厚度呈线性分布。算例分析结果表明：本文方法比现有的分析方法更接近于有限元模拟结果,可用于估算复合材料胶接接头剪应力分布。     

飞机蒙皮多点成形用复合柔性垫层的结构参数优化

 使用柔性垫层是抑制和消除多点模拉形过程中零件表面缺陷的重要措施。针对常规橡胶垫层的不足,提出了一种以橡胶为基体以金属板条为加强结构的复合结构垫层,对其进行了有限元建模和分析,并从垫层变形控制角度对加强结构的设计参数进行了优化。分析结果表明,加强结构中金属板条宜薄不宜厚,但厚度太薄则无法有效抑制零件的表面缺陷,应控制在0.5 mm左右。而较宽的加强材料的宽度也有利于提高垫层的性能,但过宽的板条会影响垫层的贴模能力,应控制在钉杆截面宽度的80％左右。     

基于响应曲面的时效成形材料参数修正

为了提高时效成形中回弹现象的有限元仿真精度,使用均匀试验设计结合响应曲面设计的方法,建立了仿真误差对于材料参数的响应函数,求解出材料参数的修正解。以此法得到的仿真结果与试验结果相吻合。     

铝合金盘型件等温辗压过程中晶粒尺寸演化的数值模拟与实验验证

 为了揭示盘型件双面辗压成形过程中微观组织的演化特征,应用数值模拟方法研究了这一成形过程中所发生的动态再结晶和晶粒长大规律.所研究的盘型件材料为铝合金6061,辗压成形温度为350~500 ℃.晶粒尺寸演化规律的数值模拟结果与实验结果基本符合.与整体锻造不同,双面辗压成形没有变形死区,并且越靠近盘型件表面晶粒细化效果越好;辗压头通过对盘型件厚度方向压缩和表面环向剪切两种方式驱动盘型件变形.计算结果表明,即使压下量零增量辗压也会在沟槽附近产生显著变形和晶粒细化,这说明盘型件变形和组织演化主要源于辗压头对盘型件表面的环向剪切;多遍次辗压过程中,第1遍次辗压对晶粒细化的贡献最大,后续辗压的贡献较小;提高成形温度可能会出现动态晶粒长大区,在这种情况下,盘型件上的点将交替发生动态再结晶和动态晶粒长大,最终晶粒尺寸会有一定程度增加.     

高性能有机纤维复合材料及其界面性能

综述了高性能有机纤维复合材料在固体火箭发动机壳体的发展应用及其表面改性方法、界面性能的表征，并用实验数据探讨增强材料、树脂系统及复合材料界面对壳体性能的影响，最后指出应当综合地考虑各方面的影响作用才能达到提高固体火箭发动机高性能有机纤维复合材料壳体性能的最终目的。     

复合材料层压厚板接头失效分析研究

随着复合材料在航空工程中的广泛应用,需要对复合材料结构的强度问题进行探究,而国内对复合材料层压厚板接头的失效模拟与分析方法研究较少。为此,以复合材料厚板接头为研究对象,基于三维渐进失效分析方法,选取合理的本构关系、失效准则、材料退化模式,并利用Fortran语言编写Umat子程序完成渐进失效方法的应用实现。通过对比复合材料层压厚板接头静强度试验和计算结果,表明本文所采用的三维渐进失效分析方法计算得到的应变-载荷数据与试验结果基本相符,即本文方法能够较好地模拟层压厚板接头的拉伸破坏过程,且可实现变参迭代计算,可为复合材料厚板接头结构的优化设计提供参考。