复合材料层合结构整体┐局部有限元素法

提出一个精确分析复合材料层合结构应力的整体－局部有限元素法．首先，采用分区直线模型的子单元法，计算整个层合结构的位移和应力．然后，在应力计算精度要求较高的局部区域内，以子单元法计算所得节点位移为基础，以应力参数为基本未知量，利用修正余能原理，进一步精确分析该局部区域的应力．计算表明，该方法对于复合材料层合结构的应力有很高的计算精度     

基于传递矩阵法的柔性杠杆放大机构刚度分析

刚度是影响柔性微动机构动态性能和定位精度的重要指标。将工程中的传递矩阵概念引入到刚度分析中,首先根据结构特点将柔性微动机构模块化并将各子单元视为柔性体,全面考虑其轴向、剪切和弯曲等变形,求解各子单元柔性体的传递矩阵,然后通过传递矩阵将各子单元组合,最后根据力平衡建立柔性微动机构输入力和输出位移之间的关系模型。研究结果表明,传递矩阵法由于考虑了各单元的多维度真实变形,因此保证了结果的高精度。同时分析过程不需要求解刚柔单元变形协调方程,而且避免了微动机构全局坐标系的转换,减少了分析计算量。最后应用该方法建立了一种柔性杠杆放大微动机构的刚度模型,与有限元分析结果的对比误差小于6.4%,有效提高了分析精度,为参数设计提供了重要理论依据。     

形状记忆合金复合材料层板非线性有限元分析

将形状记忆合金埋入复合材料层合板中构成智能复合材料结构.在外载或热载的作用下,形状记忆合金将使复合后的材料内部和结构的应力、应变分布发生改变,并改变结构的形状.由于形状记忆合金的大变形带来非线性,本文利用具有几何非线性分析功能的复合材料板壳元对模型进行计算和分析,形状记忆合金的驱动效应等效为力学载荷.可得到较精确的结果.      

复合材料层合梁分层问题解析解法

根据叠加原理将含有分层的复合材料层合梁在横向载荷作用下的受力状态分解为对称与反对称受力状态,再将反对称受力状态分解为无分层梁受反对称横向载荷状态与含分层梁在分层表面承受附加剪切载荷状态.将分层问题归结为在附加剪切载荷状态中,层合梁附加位移与附加应力的分析,并据此建立了一个简单的力学模型.最后,根据工程梁理论得到了由分层引起的附加位移与应力的解析解答,并用能量释放率方法确定了应力强度因子.     

湿热环境中含脱层复合材料层合板的界面裂纹扩展

处于恶劣湿热环境中的复合材料层合结构,受湿热残余应变和残余应力的作用,易产生局部屈曲和分层扩展。考虑湿热效应和脱层间接触效应的影响,对含脱层复合材料中厚板的非线性屈曲和界面裂纹扩展行为进行了理论分析。基于可动边界变分原理,建立层合板在湿-热-力载荷作用下的总势能,并推导出非线性后屈曲控制方程和脱层扩展能量释放率。应用摄动法和Galerkin法求解控制方程,获得以面内压缩载荷-挠度曲线为特征的含脱层复合材料层合板的后屈曲路径。根据求得的后屈曲解及Griffith断裂准则,确定脱层扩展临界压力的理论解。通过开发MATLAB程序,综合讨论了脱层尺寸、湿热环境对脱层复合材料层合板屈曲和扩展载荷的影响。研究结果与ABAQUS有限元解和经典理论解进行比较,验证了理论分析的有效性。结果表明：湿热环境会显著降低脱层复合材料层合板的屈曲载荷和扩展载荷。此外,忽略复合材料层合板的横向剪切应变将导致对层合板承载能力的高估。     

多外力柔性微动机构输出位移求解方法

对于单个外力作用下的微动机构,柔度描述了外力与其输出位移之间的关系,是影响微动机构动态性能和精度的重要性能指标。对于多个外力作用下的情况,与之相对应的是微动机构输出位移与其多外力间的关系式。为求解该关系式,采用了柔度矩阵和刚体运动规律相结合的方法。首先,对整体进行单元划分,并求解结构中各柔性单元的端点位移与端点力之间的关系式;然后,根据各单元间的结构关系求解各不同单元端点力或端点位移间的叠加和协调关系式;最后,综合所有求得的关系式整理出输出位移与外力之间的关系式。运用该方法求解了一种微动夹持器的工作端位移,并与有限元分析软件的计算结果进行了对比。研究结果表明:该方法具有普遍适用性以及可靠的精度,能够用于一般微动机构的性能分析与优化。应用MATLAB软件对求得的关系式进行分析,获得了结构参数优化所需的理论依据。      

复合材料薄壁梁限制扭转特性分析

基于Vlasov理论,本文建立了任意形状闭室复合材料薄壁梁限制扭转力学分析的分层翘曲模型.文中考虑了剪切和翘曲的影响,并分析了材料和铺层对翘曲位移与应力的影响,建立了相应的升阶谱元法,算例表明,复合材料薄壁梁各分层的翘曲位移及应力相差较大.     

卷积神经网络求解有限元单元刚度矩阵

随着深度学习在众多领域的成功应用与快速发展，将深度学习与传统的结构分析相融合已经成为了新的研究方向。在求解有限元单元刚度矩阵的具体问题上，研究了卷积神经网络在结构分析上的应用。以四边形平面应力单元为例，基于卷积神经网络，提出了一个求解有限元总体刚度矩阵的神经网络模型；同时分析了网络的学习效果与网络卷积核数目、训练样本数目之间的关系。计算实例表明，在一定范围内，网络的学习能力随着卷积核数目、训练样本数目的增加而不断提升。在现实应用时，可以根据具体的精度要求而设定相应的卷积神经网络。卷积神经网络训练完成后，单元刚度矩阵的计算具有实时性，且精度满足工程要求。      

卫星桁架结构跨尺度热—力耦合优化设计与分析

卫星飞行过程中,高精度测量设备的复合材料支撑结构经历多种温度环境,影响结构的热稳定性。为对其热学性能进行研究,综合考虑热—力耦合优化设计,首先,发展了复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型。在微观模型中,通过建立代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)模型,由纤维热膨胀系数计算得到单向复合材料热膨胀系数;建立复合材料构件宏观模型,采用微观模型计算得到的热膨胀系数对宏观模型进行分析与计算。为验证复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型的正确性,对复合材料管件的热膨胀性能进行了试验测试,测试结果与数值计算结果具有很好的一致性。其次,对卫星桁架杆件进行热稳定性优化设计与分析,综合考虑管件的热膨胀系数与刚度的约束条件,采用具有二阶收敛特性的共轭梯度法对复合材料构件的铺层进行优化设计,发展了复合材料桁架结构热—力耦合优化设计流程。最后,针对某卫星天线桁架支撑结构进行了定热膨胀系数设计与分析,结果表明采用跨尺度热—力耦合优化设计方法得到的热变形量远小于天线支撑结构给定的指标。该方法可用于卫星复合材料桁架结构热稳定性设计与分析。     

旋转部件SGBEM-FEM耦合热弹性断裂分析

旋转部件载荷复杂,易萌生裂纹,引发疲劳断裂失效。针对含裂纹受热旋转部件,在全局无裂纹区域使用有限元法(FEM),发挥其在大型结构仿真分析方面的优势;在裂纹附近局部子域使用对称伽辽金边界单元法(SGBEM),发挥其在结构断裂分析方面的优势。构造考虑旋转惯性载荷和热载荷影响的SGBEM超单元,该超单元刚度矩阵对称半正定,且施加的旋转惯性载荷和热载荷仅影响等效力向量,可实现与有限元刚度矩阵和力向量的直接装配,从而耦合求解旋转部件的热弹性断裂问题。采用构造的SGBEM超单元FEM耦合法计算了含裂纹受热旋转圆盘的应力强度因子,验证了该方法的有效性。      

复合材料层合残余应力实验研究

取单向板90°试样用DMA法测出的玻璃化温度T_(?)为应力释放温度,用应变片包埋法测定了玻纤/648环氧复合材料单向试样与对称正交层板的热应变,用经典层板理论处理实验结果,实验值与理论值吻合;结果还表明,一般意义上的复合材料内的层合残余应力与制造过程中复合材料内的残余应力应作区别。     

复合材料板件热分层分析及试验验证

针对飞行器用复合材料层合板件的热应力分层问题,进行了试验与数值模拟方面的研究.采用双线性内聚力单元用于模拟层合复合材料的分层现象;通过二次交互应力准则判断复合材料刚度降阶的起始点;并同时使用幂指数准则作为材料在混合破坏模式下的失效准则.数值模型中单层复合材料的力学性能和热膨胀性能分别由在高温（70℃）、室温（23℃）、低温（-50℃）环境下的相应测试进行确定.各复合材料层合试验件在仪器DIL-402C中经历了相同的温度变化过程,最大温差相差120℃.试验后发现,对于给定铺层的试验件,其两端中间层发生了层间分层.将数值模拟的结果与试验结果进行对比,对比结果表明数值分析与试验结果吻合良好,由此也可证明此分析方法的可行性与正确性.     

环氧树脂基复合材料加筋板结构吸湿行为研究

环氧树脂基复合材料的性能对湿热环境敏感,掌握该材料所组成结构的吸湿行为对其实际应用具有重要意义。通过以碳纤维环氧树脂基复合材料层合板的non-Fickian吸湿模型为基础,建立环氧树脂基复合材料加筋板结构的non-Fickian吸湿模型,在70℃/85% RH湿热条件下开展加筋板结构的吸湿实验,对所建立模型进行验证,并与已有的加筋板吸湿模型进行对比,通过所建立模型给出了加筋板沿厚度方向的吸湿量分布规律。结果表明:所建立加筋板non-Fickian吸湿模型的计算结果与实验结果吻合良好,在整个吸湿阶段相对误差小于5%,模型的预测精度高于传统Fick模型。所建立的加筋板non-Fickian吸湿模型可用于环氧树脂基复合材料加筋板层合结构吸湿量的准确预测。      

接收模式下加罩天线系统特性的快速电磁仿真

针对接收模式下电大尺寸的天线-天线罩系统电磁特性分析问题,提出了一种全波法和高频法结合的混合算法:积分方程/修正型表面积分+多层快速多极子(IE/MSI+MLFMA)方法.该方法将由高频方法MSI得到的天线罩内场分布作为天线阵列的激励场,再利用基于体-面混合积分方程(VSIE)和MLFMA的快速全波分析方法精确计算天线阵;同时应用球谐函数展开、预处理技术、混合并行等技术进一步改进算法的计算效率.同传统的全波数值法相比,该方法在保证计算精度、满足工程需要的前提下,解决了求解计算时间长、计算效率低的问题,实现了对电大尺寸天线-天线罩系统的快速、高效仿真.      

基于索膜有限元模型的翼伞气动变形仿真

对定常状况下翼伞的流固耦合变形问题进行了三维数值模拟。使用有限体积法计算了飞行时的气动载荷,分析了前缘切口和翼肋开孔对压强分布的影响;基于翼伞结构大位移小应变的特点建立了非线性索膜有限元模型,伞衣由不能承受弯矩的膜单元模拟,伞绳和切口加强带由只能单向拉伸受力的索单元模拟,仿真了受气动载荷后翼伞相对于理想设计位置的变形和应力分布。结果表明:该翼伞展长相对于设计值减小,"鼓包"形成后翼型最大厚度增大,伞衣变形后产生了额外的后掠角和攻角;最大等效应力主要集中在翼肋上的开孔和伞绳连接点处,需合理布置加强带以满足强度要求。     

分层缺陷对复合材料层板压缩性能的影响

基于影像云纹法、表面应变测量、分级加载超声C扫描3种观测手段,对含有不同位置、尺寸、数量预制分层缺陷的复合材料层板进行了压缩试验研究,对试验中产生的子层屈曲、分层扩展、层板失稳等现象进行了细致的观察、对比与联系.结合试验结果,总结了3种不同的分层扩展模式,并基于分层扩展模式分析了子层屈曲、层板失稳等现象的产生机理.结合上述试验现象,通过比较临界失稳应力、最终破坏应力、分层纵向扩展范围等试验结果,系统地分析了分层缺陷对复合材料层板压缩性能的影响.研究结果可为复合材料结构损伤容限设计提供依据.      

火焰筒结构局部热屈曲分析方法

根据局部热屈曲的失效机理,考虑局部温度和压应力水平两个热屈曲主要因素,从以应力函数和挠度函数为变量的受热板控制方程出发,推导出薄壁结构热屈曲失稳边界的判据表达式.依据确定的热载荷和设计的压力载荷,确定火焰筒结构的局部热屈曲危险部位,并将子模型技术引入到热屈曲分析中,确定危险部位的临界温度和临界压应力,以此对火焰筒结构进行局部热屈曲判别.通过工程实例的初步验证,计算与试验结果吻合良好,对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.     

碳纤维增强复合材料冲击断裂分析

对碳纤维增强复合材料带缺口试样进行了冲击断裂的试验研究。利用冲击摆锤试验,测定了冲击力、冲击点位移以及能量转换的瞬态值。试验表明,纤维沿土45°铺层优于0°铺层,具有较好的抗冲击能力。同时采用有限元和工程梁方法对试件分层剥离过程的应力、位移场及冲击能进行了分析,并探讨了碳纤维增强复合材料的断裂机理。     

充气展开自支撑臂振动模态分析

充气展开自支撑臂是由层合铝膜和离散自支撑壳组成,可在无充气压力下实现对有效载荷的支撑。为提高充气展开自支撑臂振动特性预测精度,首先,基于Timoshenko梁理论和哈密顿原理,推导了自支撑臂振动微分方程,提出了考虑充气压力的预应力和构型变化的梁单元模型。该单元模型考虑了结构自支撑壳的离散分布特性,使建立的质量矩阵更接近自支撑臂结构的真实值。然后,通过实验对该模型进行验证,结果表明本文方法比传统梁单元模型具有更好的精度。最后,分析了充气压力和自支撑壳宽度等参数对自支撑臂结构振动模态的影响规律,结果可为充气展开自支撑臂的设计提供理论参考。      

基于群论的空间可展开结构自由度分析

为了开发构型新颖、生命力强、便于运输和储藏的空间可展开结构，使其满足所处环境的时间、空间等苛刻条件，适应特殊任务的实际需求，亟需开展空间可展开结构的自由度及折展性能分析。由于现有可展结构多具有一定的对称性，基于群论方法，从对称学角度解析结构可动的本质，提出判别对称体系可动性的充分条件。根据几何约束性质，运用矩阵理论和变分原理，推导了可展结构中典型构成单元的位移协调矩阵。利用对称子空间，推导了机构位移模态、自应力模态的对称表示，并以闭合环形可展开结构为研究对象，开展了结构自由度分析。研究工作有助于新型空间可展开结构的研发与设计，为可展结构及其衍生结构的进一步研究与应用提供了理论基础。