复合材料薄壁梁扭转的高次翘曲理论

利用翘曲连续修正概念导出表示剖面翘曲位移的形函数序列,据此建立单闭室复合材料薄壁梁扭转分析的高次翘曲理论,并结合分层的具体情况,考察分层对复合材料薄壁梁扭转翘曲的影响。算例表明,该高次翘曲理论具有很好的收敛性。     

直升机旋翼桨叶截面刚度的有限元计算

本文利用线性二维截面分析模型,在方程的建立和推导中综合考虑了直升机旋翼桨叶梁的变形特点,和梁截面的面内和面外翘曲对梁截面刚度的影响。在此基础上编制了具有多个不同节点单元可用于计算各向异性材料的旋翼桨叶截面刚度的有限元软件,用复合材料盒形梁作为算例并与ＮＡＢＳＡ的结果比较表明该方法及编制的软件正确可靠。     

1-3型压电纤维主动薄壁梁扭转特性

从薄壁梁理论出发,在考虑扭转翘曲影响的情况下,推导了1-3型压电纤维复合材料主动薄壁梁的几何方程、本构方程和静力学控制方程。在此基础上,采用该理论分析了4类典型铺层方式的主动薄壁梁在控制电压作用下产生的主动力和变形模式。分析指出,采用适当的铺层方式,可以使得1-3型压电纤维复合材料主动薄壁梁具有主动扭转能力,特别是纯扭转能力。算例同时分析了主动薄壁梁主动扭转能力随压电纤维的体积比、铺层角、外界电场强度以及薄壁梁的长度等因素的变化规律。算例结果表明,本文分析方法具有较好的精度,1-3型压电纤维复合材料主动薄壁梁具有良好的主动扭转特性,这将大大扩大主动结构的自由度控制范围,特别是扭转自由度的控制范围。     

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。     

轻金属材料结构制造中的搅拌摩擦焊技术与焊接变形控制（下）

五、轻金属结构制造中的焊接变形控制在轻金属薄壁结构的焊接制造中,板壳构件失稳翘曲变形比其他形式的焊接变形更为严重。尤其是飞行器结构一般多选用厚度不大于4m m的金属板材,如带筋壁板、燃料贮箱等。如图14所示,当板件的厚度小于4m m时,则焊接残余应力所引发的失稳翘曲变形必然会突现,这是因为板件失稳翘曲的临界压应力值陡然降低的结果。北京航空制造工程研究所近20年来着手研究开发了轻金属板壳结构的低应力无变形焊接方法熏其机理属于在焊接过程中主动控制热应变的产生和发展,用预置温度场的全截面热拉伸效应或是用热源-热沉的局域…     

复合材料闭剖面加筋薄壁梁刚度系数计算分析

复合材料的可设计性为通过弹性剪裁来获得想要的变形模式带来了优势,其结构的耦合特性如拉扭耦合和弯扭耦合可以利用复合材料的各向异性来实现。以薄壁壳结构力学理论为基础,采用多种理论方法研究分析正交各向异性壳体本构关系,给出适合复合材料层压板矩形闭剖面薄壁梁截面的刚度系数解析表达;采用逐阶近似方法,完整设计复杂闭剖面的刚度系数数值算法;针对两种典型的复合材料铺层的矩形闭剖面梁截面布局构型,进行刚度特性的计算分析与讨论,获得铺层角度对复合材料薄壁梁弯曲、扭转及弯扭耦合刚度特性的定量结果。对分析设计闭剖面薄壁结构刚度条件具有应用价值。     

大展弦比复合材料机翼的非线性颤振分析

大展弦比机翼在气动力作用下产生较大变形,颤振速度和颤振频率随之发生明显变化,线性理论难以获得比较合理的解答。综合考虑了结构几何非线性、气动非线性和材料各向异性对机翼运动状态的影响,将复合材料机翼建模为非线性薄壁单闭室截面梁,建立机翼的运动方程,并使用小扰动分析的方法得到机翼在平衡位置附近的振动方程。采用Theodorsen非定常气动理论构建气动模型,获得机翼在平衡位置附近的非线性颤振方程,并利用v-g法判定机翼颤振稳定性。通过算例演示了一些非线性颤振的特点,讨论了铺层角、展弦比、机翼线密度等参数对颤振速度的影响,并与线性理论得到的结果进行对比。     

轻金属材料结构制造中的搅拌摩擦焊技术与焊接变形控制(上)

该文讨论了工程实践中两个方面的问题。一方面,介绍了搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding,FSW)的国内外发展现状。该技术在铝合金结构制造中已成为可以替代熔焊技术的实用的工业化固相连接技术。另一方面,还论述了我国拥有自主知识产权的创新性的技术——低应力无变形(LowStressNoDistortion-LSNDWelding)焊接法的机理和工程应用。该方法采用热拉伸效应(全截面热拉伸、局域热拉伸)主动控制铝合金、钛合金飞行器薄壁结构焊接失稳翘曲变形,可达到焊后无变形的目标。     

绝对节点坐标列式实体梁单元建模方法及应用

在多体系统动力学建模方法中,传统非等参梁单元的建模方法主要基于Euler-Bernoulli梁或Timoshenko梁理论,无法准确描述截面变形;而传统绝对节点坐标列式索梁单元虽然能够准确描述截面变形,但需引入额外描述及处理闭锁问题;与上述单元不同,绝对节点坐标列式实体单元可以通过节点坐标直接描述截面变形,避免单元变形带来的闭锁问题。本文在实体单元方法基础上,首次提出了考虑单元连续性条件和黏弹性阻尼模型的绝对节点坐标列式实体梁单元,并使用实体梁单元实现了对多体系统的建模。仿真结果表明,对比传统有限单元及绝对节点坐标列式单元,实体梁单元能够更好地表征柔性梁的非线性特性,满足大变形柔性计算的需求。     

考虑剪切和翘曲影响的直升机旋翼气弹稳定性分析

在中等变形梁理论的基础上,对桨叶变形体进行有限变形分析,推导出同时考虑剪切和翘曲影响的小应变、中等变形梁应变-位移关系,并构造出一个全新的21自由度梁单元,应用Hamilton原理导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上,研究了剪切和翘曲等非经典因素对无铰旋翼桨叶的动特性和悬停时气弹稳定性的影响。数值结果表明:剪切和翘曲对旋转桨叶的固有频率,尤其是高阶频率,有一定的影响,特别是随着转速的提高这种影响会变大;同时对悬停时桨叶的气弹稳定性有相当程度的影响,尤其是在高桨距角下这种影响是不能忽略的。     

铆接薄壁梁疲劳寿命计算与试验分析

用液压伺服疲劳试验机,对铆接薄壁纯弯梁进行了疲劳寿命试验,给出了试验结果。用应力严重系数法,计算了铆接薄壁梁的疲劳寿命。疲劳寿命计算结果与试验结果相差较大。分析认为,给出的钉孔填充系数偏高,不适于用来计算铆接薄壁结构的疲劳寿命。经过分析和研究,给出了适于计算铆接薄壁结构疲劳寿命的较合理的钉孔填充系数。还探讨了各种改进 Ｎｅｕｂｅｒ 法对计算铆接薄壁结构疲劳寿命的适用性。     

热声载荷下薄壁结构振动响应试验验证与疲劳分析

由于热声环境下金属薄壁结构表现出复杂的大挠度强非线性振动响应特性,影响结构的疲劳性能与寿命,结合有限元法与降阶模态法对四边固支高温合金矩形薄壁结构的热声响应进行计算。结果研究发现:屈曲后结构出现跳变运动且应力循环呈三角状分布,热声载荷的相对强弱决定了跳变形式。采用改进雨流计数法、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算热声疲劳寿命,屈曲前到临界屈曲时应力循环损伤量级显著增大,由10-5增大到10-4,寿命随温度增加呈先减小后增加趋势。开展薄壁结构热声试验,并将仿真计算结果与试验结果进行对比,结果表明结构的模态频率偏差不超过1Hz,动态应变响应结果的量值相当,验证了薄壁结构热声响应计算方法与模型的有效性。      

自适应复合材料薄壁梁形状控制

针对翼面和桨叶等升力面结构,以单闭室薄壁梁为典型结构模型,讨论自适应复合材料薄壁梁的弯曲和扭转,探讨控制结构形状的途径     

直升机复合材料国产化桨叶剖面特性的分析

由于国产复合材料性能较进口复合材料有较大变化,根据替代前后桨叶的动力学特性基本不变的原则对原桨叶结构进行了调整。采用薄壁梁横截面剪流相等的原理推导了桨叶扭转刚度的计算公式,基于挥舞刚度、摆振刚度、质量分布的定义得到了迭代公式。对某直升机替代前后桨叶的剖面特性进行了计算。结果表明：替代前后桨叶的扭转刚度、挥舞刚度、摆振刚度及单位长度质量分布完全一致,说明替代前后桨叶的剖面特性有很好的一致性。     

薄壁构件试验模型的动力学相似设计方法

针对由薄壁构件相似模型试验结果预测原型动力学特性的问题,建立了统一的数学模型,并基于方程分析法推导了动力学相似关系.通过对薄壳单元进行受力分析,推导得到薄壁构件的微分方程,并通过微分方程得到完全几何相似模型可准确预测原型动力学特性的相似关系.在建立薄壁构件结构参数对固有频率的敏感性与相似因子指数的比值关系基础上,提出薄壁构件不完全几何相似模型与原型的动力学相似关系(即畸变相似关系)的确定方法.最后给出基于敏感性分析的薄壁构件精确畸变相似关系设计流程,为薄壁构件相似试验模型的设计及动力学特性的预测提供参考.     

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.     

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。     

薄壁结构固有频率的p型有限元数值计算收敛性研究

通过使用MSC．Patran／Nastran中的p型有限元评价多种典型薄壁结构构件动力学品质分析中的特征值计算收敛问题,并对高阶形函数的作用进行了深入分析,从而说明高阶p型体元在薄壁结构建模中的优越性。     

Dynamic Characteristic Analysis and Experiment for Integral Impeller Based on Cyclic Symmetry Analysis Method

A cyclic symmetry analysis method is proposed for analyzing the dynamic characteristic problems of thin walled integral impeller. Reliability and feasibility of the present method are investigated by means of simulation and experiment. The fundamental cyclic symmetry equations and the solutions of these equations are derived for the cyclic symmetry structure. The computational efficiency analysis between whole and part is performed. Comparison of results obtained by the finite element analysis (FEA) and experiment shows that the local dynamic characteristic of integral impeller has consistency with the single cyclic symmetry blade. When the integral impeller is constrained and the thin walled blade becomes a concerned object in analysis, the dynamic characteristic of integral impeller can be replaced by the cyclic symmetry blade approximately. Hence, a cyclic symmetry analysis method is effectively used to improve efficiency and obtain more information of parameters for dynamic characteristic of integral impellers.     

航空发动机薄壁W形封严环动模外压成形

液压成形是复杂薄壁零件制造的一种有效方法。针对某航空发动机的薄壁高温合金W形封严环构件,提出动模外压成形方法,并建立了有限元模型。基于数值模拟和工艺实验,分析了不同成形阶段的变形规律和压缩失稳的控制机理,在此基础上研究了毛坯成形区高度和型腔液压加载路径等关键工艺参数对零件成形结果的影响,探讨了成形过程中环向失稳起皱、型面不对称、材料堆叠等失效形式,提出了优化的参数。结果表明,提出的工艺方法可实现W形封严环的整体精确成形,采用优化的毛坯成形区高度和液压加载路径可获得成形精度较高、表面平滑无褶皱的试件。