复合材料层间应力和湿热效应的有限元分析

本文用三维体元对复合材料层合板的层间剪切应力和拉(压)应力进行分析,同时计算了非对称层合板的应力分布和变形。文中分析了湿热应变引起的翘曲变形,并考虑了结构材料弹性系数是温度和水分比浓度的函数。     

单层板夹杂粘弹性阻尼材料的应变能分析-Part II:切应力应变能

本文利用Part I中的结论,分析以下4个方面的应变能:广义正交各向异性层在XZ方向的切应力应变能;广义正交各向异性层在yz方向的切应力应变能;粘弹性层在xz方向的切应力应变能;粘弹性层在yz方向的切应力应变能.夹杂的粘弹性阻尼材料作为各向同性材料处理.最后求出了整个单层板夹杂粘弹性阻尼材料的总应变能.     

复合材料叠层结构孔口附近应力分析方法研究

本文在总结前人对复合材料结构开口的应力集中研究的基础上,根据孔口附近应力场的特点,提出了一种适于工程应用的复合材料叠层结构开口附近应力分析的有限元改进算法。由于应力计算精度的改进仅在孔边、拐角等高应力梯度区域局部进行,且改进后的单元能进一步精确描述应力集中区的应力场。因而,使用该方法计算孔边应力,用较少的单元就能得到满意的精度,大大减少了计算费用和时间。 文中选择了一些有代表性的考题验证了该方法的有效性。并着重研究了带有圆角矩形孔的复合材料层板结构的孔边应力分布,给出应力集中系数随圆角半径的变化规律、孔边加强对应力集中的改善以及±45°纤维铺层比例对孔边应力分布的影响,得到了一些对工程部件开口设计有用的数据资料。     

粘接结构胶层热应力分布影响因素

通过建立粘接结构的有限元模型来研究温度变化引起的粘接结构中胶层的热应力分布情况。通过胶层应变测试试验,对比胶层侧边中点及端点处的应变与仿真结果的差异,验证有限元仿真结果的可靠性。研究了多种因素,包括胶层厚度、胶层两侧被粘接材料的热膨胀系数的差异和被粘接材料的刚度的变化对胶层热应力分布的影响规律。最后探讨了大温差环境中使用的粘接结构在设计过程中需考虑胶层的热应力来选取胶层的厚度及被粘接材料。     

缝纫/RFI层合板单钉连接性能计算研究

本文建立了三维有限元分析模型,对缝纫层合板的单钉连接性能进行了理论分析,模拟了钉孔受挤压边缘附近一些典型的针脚位置情况．计算得到钉孔周同的平均径向应力和层间应力分布;并且应用三维点应力损伤判据,得到各种典型针脚位置情况下的缝纫层合板初始挤压破坏强度。研究结果表明,计算结果和试验结果吻合较好,证明该模型能有效地分析缝纫层合板单钉连接性能。且不同针脚位置对缝纫层合板机械连接性能确有重要的影响。     

胶合搭接连接的界面应力

采用边界元法计算了分析了具有理想界面和非理想界面的双板条胶合搭接连接的界面应力。经计算得到了完整胶合界面时界面应力的分布,得出在胶合界面两端出现了应力集中现象;胶合界面发生开裂后的界面应力分布,理想界面裂纹尖端的复应力强度因子和非理想界面裂纹前洞的应变能密度。     

基于粒子群—克里金法的筒段应变场重构与载荷位置识别

针对可重复运载器箭体、燃料贮箱以及飞机机身等筒段类结构健康监测需求,本文提出了一种基于高密度弱反射光纤光栅传感器的筒段结构应变场重构与载荷位置辨识方法.借助ABAQUS有限元仿真软件,得到筒段壁面在载荷作用下的应变场分布特性.研究了基于粒子群—克里金法的壁面应变场重构算法,提升了应变场重构精度.构建了筒段壁面应变场分布...     

金属磁记忆检测技术的物理机理

对目前存在的关于金属磁记忆检测技术物理机理的几种学说进行了试验研究和分析.研究了在地磁环境下拉伸速度对应力磁效应的影响、环境磁场对应力磁效应的影响和环境磁场对应力一应变的影响.分析了应力作用下的应变磁化理论、应力和磁场作用的等效理论和应力能作用的能量平衡理论.研究结果表明,在地磁环境下应力作用的电磁感应原理对应力磁效应的影响很小、环境磁场与应力磁效应有关、环境磁场与应力应变效应无关.推断应力磁效应是应力和环境磁场共同作用的结果,是应力通过对材料的微观结构和磁畴特征的影响引起的.     

开孔变刚度层合板压缩屈曲性能研究

针对开孔变刚度层合板,建立3种尺寸的层合板有限元模型,采用了线性屈曲、引入残余热应力的线性屈曲和引入初始缺陷的非线性屈曲的3种分析方法,研究了开孔层合板在压缩条件下的屈曲行为,并通过自动铺丝制造层合板进行试验对比,对3种方法的合理性进行了分析。结果表明,引入残余热应力的线性屈曲分析方法与试验结果最吻合,两者仅相差0.63%。基于该方法,讨论开孔层合板残余热应力分布特点和应力水平,得出了开孔层合板的应力分布云图和应力分布规律,计算出残余热应力对开孔复合材料层合的屈曲影响。结果表明,残余热应力对传统直线开孔层合板的屈曲载荷影响很小,仅提高了3.57%,但大大提高了变刚度开孔层合板的屈曲载荷,最多可达23.40%。说明纤维曲线铺放可以改变内部残余热应力的分布,提高整个开孔层合板承载压缩载荷的能力。     

飞机结构腐蚀搭接件应力应变分析

通过对一架退役飞机分解检查，发现搭接件外表面光滑，而搭接面腐蚀很严重。利用三维有限元法定性地分析腐蚀产物膨胀作用的“垫枕效应”，得到了蒙皮板的应力应变的分布情况，确定了疲劳裂纹可能的形成位置，讨论了孔蚀对搭接件蒙皮应力应变分布的影响。     

远场应变法测量应力强度因子

本文给出一种将常规电阻应变片贴在距裂纹尖端较远处测量Ⅰ型裂纹应力强度因子K_1的方法。此法实际上是一种实验法与数值法相结合的方法。用实验法测出应变,应变又可以用含待定系数的Williams级数表示,它们组成一组线性代数方程组。解此方程组,可获得待定系数,由待定系数与应力强度因子的已知关系,可求出K_1。 远场应变测量法,避开了裂纹尖端邻域应变梯度很大的区域和可能的塑性区,因而应变测量比较准确。 测出的应变输入数据处理设备及计算机就可以快速实时地知道含裂纹结构在承载情况的K_1,便于进行破坏控制,使设备安全而可靠的工作。     

基于有限元分析的变截面轴向力支撑片内式应变天平研制

内式应变天平的轴向力元件结构在受到大载荷尤其是大力矩载荷后,其支撑片上的最大应力是限制天平最大承载能力的主要因素。研制了一台大力矩内式应变天平,并采用有限元分析方法对轴向力元件的支撑片和测量梁进行了优化和改进。将支撑片的外形由传统的等截面改进为变截面,减小支撑片中间部位的厚度,并增加两端的厚度,在保持天平轴向刚度一致的基础上,降低了支撑片上的最大应力;采用变截面结构的轴向力测量梁,减小了测量梁上的应变梯度。有限元分析结果表明:与传统的等截面支撑片相比,变截面支撑片上的应力分布比较均匀,其根部最大应力减小了20%以上;与等截面测量梁相比,变截面测量梁上的应变梯度降低了79%。天平校准结果与有限元分析结果一致,风洞测力试验也表明该天平具有良好的稳定性。     

三维弹塑性缺口问题的应变等效法

通过对三维应力约束下含中心圆孔的双向拉伸板进行弹塑性理论分析,提出线弹性等效应变解与弹塑性等效应变解之间存在的内在关系,弹塑性等效应变解可以由线弹性解通过简单的变理代换得到。利用二维和三维弹塑性有限元分析证实,在一般制品几何情况下,本文提出的应变等效法比著名的Neuber法和等效应变能密度法具有更高的精度和适应能力,并且可经给出弹塑性全场解,对不同缺口形状,不同材料,不同载荷情况具有通用性,可以作为有限元法的补充,为结构的细节设计和寿命分析提供了高效的工程方法。     

明渠水流湍流结构的试验研究

本文采用二维激光流速仪(2D-LDA)在玻璃水槽中实测了光滑和加糙壁面上清水的湍流结构和时均结构。通过试验观测并结合其它学者的资料,研究了水流时均流速分布。发现加糙壁面的流速分布在半对数坐标中为一连续曲线,通过调整理论床面将坐标起点下移后可转变为直线,与对数分布吻合。文中对雷诺切力分布进行了分析并给出了最大雷诺切力及其出现位置的计算公式。实测切力分布与理论公式计算值基本一致,实测表明:边壁加糙对雷诺切力分布影响不大,光滑边壁与加糙边壁切力分布基本相同。文中还讨论了壁面加糙对纵向和垂向脉动强度分布的影响,认为主流区纵、垂向脉动强度均可近似地视为线性分布。     

高热环境下前缘结构高温应变测量

高超声速飞行器前缘在大气层中长时间飞行时受热严酷,热应力影响大,分析前缘结构热应力十分必要。在电弧风洞模拟的高热环境下采用高温应变计对高超声速飞行器前缘结构进行了高温应变测量,介绍了试验设备、试验条件、试验模型和热输出标定等,并介绍分析了碳基复合材料和某耐热合金2种材料前缘模型试验结果,同时对比了有限元计算结果,表明测量结果真实。试验应变测量最高温度600℃,试验结果表明,前缘模型侧面平板的应力状态处于合理水平。应力应变数据对于结构优化设计起到了重要作用。     

工程构件疲劳寿命估算的三维临界域法

临界域法将缺口附近区域中某点、线或面上的应力特征值作为材料失效的判断条件,能较合理地解释缺口效应现象,因此被认为是一类具有工程应用前景的缺口件疲劳寿命估算方法。本文首先结合三维工程结构的实际特点,详细阐述了适用于三维结构的应力场强法和临界距离法,对其中若干参数进行了准确定义和描述。然后,本文分别使用这两种方法和名义应力法对某型航空发动机轮盘进行了疲劳寿命估算。结果表明,本文给出的适用于三维结构的应力场强法、临界距离法能很好地预测航空发动机轮盘的疲劳寿命;而且相比于名义应力法,预测效果更好。     

壁湍流调制雷诺应力和拟序结构应变率空间形态的层析PIV实验研究

采用高时间分辨率的层析PIV技术,测量了水洞壁湍流三维速度分量空间分布的时间序列,应用局部平均速度结构函数概念对流向速度信号进行多尺度分解,以流向速度分量的局部平均速度结构函数过零点作为特征量检测壁湍流中拟序结构猝发的喷射和扫掠过程,应用空间相位平均技术提取拟序结构猝发的喷射和扫掠过程各速度分量、涡量分量、拟序结构速度应变率分量以及调制雷诺应力分量的空间相位平均拓扑形态.为了引入平衡态涡粘模型假设模拟调制雷诺应力,研究了拟序结构猝发过程中调制雷诺应力分量和速度变形率分量的空间分布形态,发现两者之间的空间相位分布不一致.由于存在时空相位不同步性,说明需要考虑大尺度拟序涡结构引起动量传递的时空弛豫效应.应用经典的线性平衡态下的Boussinesq涡粘模型不能准确地描述壁湍流拟序结构动量传递非平衡现象的物理机理.对于壁湍流拟序结构动力学方程中调制雷诺应力的模拟,应采用包含时空相位信息的复涡粘张量模型.由于雷诺应力与速度变形率的时空不同步性,对非平衡非局部湍流场的数值模拟提出了一个挑战性的问题,建议采用包含相位信息的复涡粘张量模型来模拟雷诺应力张量,从而更加符合雷诺应力演化的物理机理,这一模型有可能成为一个很有发展前景的封闭模型,从而更加准确地预测工业领域中广泛存在的非平衡湍流.     

复合材料夹层壳的一致有效大挠度理论

复合材料夹层壳是航空航天领域中重要的结构,但它的理论特别是非线性理论还需要进一步发展,才能满足工程应用的要求。本文根据能量误差一致原则和量阶分析方法,利用Lagrange描述法首先得到复合材料夹层壳的一致有效Green应变张量,协调方程和第二Piola-Kirchhoff应力张量。据此和几个基本假设进一步获得了复合材料夹层壳的内力、内力矩的本构方程。应变能密度函数和位能泛函。再利用最小位能原理,得到了平衡方程和边界条件。这些方程在小应变,中/小转动一阶近似的意义上是一致有效的。 根据Koiter伪扁壳概念,对已获得的方程作进一步的近似处理和推导,本文最后获得复合材料夹层伪扁壳的Donnell型方程。     

单端固支铝合金结构应变监测与反演方法

针对直升机主承力结构,如桨叶关 键区域应力应变场监测需求,研究相应分布式在线监测技术及其应变场反演方法,从而为直升机结构健康状态评估与结构变形实时辨识提供依据。借助Patran/Nastran仿真软件分别对单端固支铝合金梁与板结构进行有限元仿真,给出基于光纤光栅传感器与电阻应变式传感器的基本配置规则,提出了基于三次B样条函数插值算法的单端固支铝合金结构应变场反 演方法。在此基础上,构建了基于光纤布拉格光栅和电阻应变片的分布式应变在线监测系统。研究表明,本文监测方法合理、可行。     

不同温度和应变速率下BTi6431S新型钛合金流变应力行为

通过在870～900°C温度范围内和应变速率为0.000 1～0.01/s下,对BTi6431S新型钛合金薄板进行了单向拉伸试验,研究了BTi6431S新型钛合金在高温条件下流动应力与变形温度和应变速率之间的关系,并利用改进的Hooke law和Grosman方程建立了BTi6431S钛合金的应力-应变本构模型。研究结果表明:BTi6431S钛合金在870～900°C温度下,流动应力随着温度的升高而降低,随着应变速率的增大而明显升高,在进入塑性变形区间,基本保持稳态流动。拟合得到的本构方程能够较准确地反映了BTi6431S钛合金在高温下的流动应力变化情况。