三维编织复合材料细观结构的几何学分析

对四步法1：1编织过程及编织结构进行了详细几何学分析,完善了基元、面元和柱元的几何模型;导出了平均纤维体积比与编织工艺参数之间的关系等,并得到实际验证。可供编织复合材料结构力学性能分析与预估使用。     

2.5维编织复合材料弹性性能的理论研究

以2.5维编织复合材料细观几何结构的深入研究为基础,详细分析了其单元体模型。采用圆形纤维束截面和经纱沿正弦曲线分布的假设,建立了基于刚度平均的2.5维编织复合材料弹性性能分析预报模型,并采用M atlab编程用于计算该类材料的力学性能。在材料经向纱线密度不变的情况下,预测了弹性性能随纬向纱线密度的变化规律。通过理论计算结果与实验值对比,验证了该方法的正确性。     

三维四向编织复合材料疲劳性能分析

建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快。本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

基于单胞模型的三维四向编织复合材料力学性能研究

本文提出了一种三维四向编织复合材料单胞模型的构建方法,并基于该模型对三维四向编织复合材料的细观力学性能进行了分析。首先,根据三维编织复合材料的两个内部构型参数——纤维体积含量和编织角,结合有限元分析软件建立了三维四向编织复合材料的单胞模型;然后,针对三维四向编织复合材料单胞的静力学性能及抗冲击性能进行了分析,得到了该单胞模型三个正交方向的弹性模量,并研究了纤维体积含量和编织角对三维四向编织复合材料单胞抗冲击性能的影响规律;最后,利用扩展有限元方法研究了三维四向编织复合材料单胞的抗拉强度,分析了纤维体积含量和编织角对三维四向编织复合材料单胞强度的影响规律。     

三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理

通过真空辅助树脂传递模塑成型技术，制备了三维多层缠绕编织、三维五向面芯编织和三维七向编织3种不同三维编织复合材料圆管。系统分析了三维编织复合材料圆管的纱线轨迹，分别开展了准静态轴向压缩试验，研究了不同编织工艺对三维编织复合材料圆管的压缩承载、破坏模式及吸能性能的影响。结果表明：不同编织结构圆管的轴向承载能力和破坏机制存在显著差异。三维多层缠绕编织圆管的环向纱体积含量较高，能有效承担轴向载荷，其轴向承载能力明显高于其余两类编织圆管。但由于纤维间载荷传递性能较弱，易发生脆性破坏，导致吸能效果最差。而三维五向面芯编织和三维七向编织圆管具有紧密交织的纱线结构，径向编织纱能有效限制剪切裂纹扩展，从而引发渐进稳定的开花式破坏，此类破坏具有较好的吸能特性。三维五向面芯编织圆管纤维断裂更加充分，吸能效果最为优异。     

大迎角试验数据精度及影响因素分析

着重分析了粗糙带、偏航角β、模型抖动以及滤波频率、采样时间和样本长度等因素对于大迎角试验数据精度的影响.结果认为:常规试验采用的滤波频率会导致关键气动信息的丢失,滤波频率的选取尤为重要;弯刀系统的横向刚度是影响大迎角数据精度的一个重要因素,试验中如何降低其横向刚度的影响是一难点.     

时变支承刚度对分流传动系统振动特性的影响

基于集中质量法,考虑时变啮合刚度、综合传递误差和齿侧间隙等因素的影响,建立了圆柱齿轮分流传动系统的弯扭耦合动力学模型和方程。采用变步长Runge-Kutta法,对动力学方程进行了数值求解;通过引入滚动轴承的支承刚度计算模型,分析了时变支承刚度和非时变支承刚度对系统振动特性的影响。仿真结果表明：当按照时变支承刚度模型计算时,轴承的支承刚度会产生4%左右的波动,输出轴上的横向振动位移幅值增大了约5%;支承刚度的时变性使得系统的非线性增强,稳定性变差;支承刚度的时变特性对分扭级动载系数影响较大,对并车级动载系数影响较小。     

三维四向整体编织碳/环氧复合材料圆锥壳体的外压稳定性研究

本文给出了两个三维四向整体编织碳/环氧复合材料圆锥壳体临界外压的试验结果，进一步验证了三维四向整体编织复合材料壳体临界外压计算方法，计算结果与试验结果相符较好，计算时试验修正系数可取0.8。     

螺纹连接结构横向松动寿命预测及影响因素研究

螺纹紧固件的连接结构广泛应用于工程结构中,发展一种高效的紧固性能预测模型对保障连接结构服役可靠性有重要意义。本文基于Junker试验结果标定之后的精细化数值模型研究了不同因素对螺纹连接结构横向松动寿命的影响;提出了基于预紧力、横向力、螺纹面摩擦系数的旋转松动刚度拟合关系式,并由此初步提出线性的松动寿命预测函数。结果表明:本文所建立的精细化数值模型预测的衰退规律与试验结果相互吻合。横向力与预紧力对旋转松动刚度的影响是单调递减的;螺纹面摩擦系数对旋转松动刚度的影响是单调递增的。采用线性的松动寿命预测函数评估螺纹连接结构服役寿命具有较高精度,可为连接结构领域设计人员定量评估结构服役寿命提供参考依据。     

大展弦比复合材料机翼气动剪裁设计新方法研究

根据机翼气动载荷和机翼弹性变形之间存在的关系,以机翼的总升力不变和结构强度作为约束条件,提出一种新的气动/结构耦合的刚度设计方法。该方法首先通过数值实验设计研究机翼扭转变形和弯曲变形对机翼气动载荷的影响,并用主成分回归方法构建了机翼变形和气动载荷之间的响应面模型。然后以该模型为基础,构建气动/结构一体化设计模型,此模型仅考虑强度约束和总升力不变的要求,放弃了传统优化设计模型中的挠度和扭转约束。通过2种优化模型的对比,说明应用该方法设计出的机翼结构,重量减轻1.23%,机翼总体扭转变形减小33%,刚度设计更为合理。     

随机疲劳下复合材料剩余刚度-剩余强度关联模型及寿命预测

剩余刚度和剩余强度作为描述复合材料疲劳损伤程度最常见的方法,在应用过程中都存在各自的优缺点。刚度试验成本低,但缺少明确的失效判据使得其实际工程中的应用受到限制,强度虽然存在天然的失效判据,但破坏性试验导致试验成本较高。考虑复合材料结构大多在随机交变载荷下服役,如噪声、振动等。本文通过复合材料常幅疲劳数据推导了随机疲劳下的剩余强度曲线,提出了一种随机载荷下的剩余刚度-强度关联模型,减少了试验时间和成本,并通过关联模型预测了结构随机疲劳寿命,预测值与试验值具有较好的一致性。     

复合材料加筋壁板灵敏度分析及优化设计

本文基于面内刚度系数和弯曲刚度系数建立了模拟复合材料层合板的等效刚度法,该方法充分考虑了层合板的面内刚度和弯曲刚度特性,与原始层合板具有相同的面内刚度和弯曲刚度。采用等效刚度法建立复合材料L型加筋壁板的有限元模型,基于二级优化策略对加筋壁板进行了以最小重量为目标的优化设计,其中一级优化是以铺层厚度和弯曲刚度系数为设计变量的重量最小化设计,二级优化则是调整铺层顺序,以满足最优化的弯曲刚度系数。在L型加筋壁板的优化设计中,首先通过实验设计对目标和约束进行了灵敏度分析,然后在此基础上对L型加筋壁板进行了以强度、刚度、稳定性等为约束条件的轻量化设计。     

钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响

通过3种不同铺层比例的复合材料层合板机械连接接头的挤压强度测试,研究了钉头型式对复合材料层合板机械连接挤压力学性能的影响,获得了沉头螺栓挤压强度修正系数。试验数据表明：采用沉头螺栓的复合材料机械接头 的挤压强度,可达到采用凸头螺栓的复合材料机械连接挤压强度的90%左右,但接头刚度仅为采用凸头螺栓的复合材料接头刚度的40%~50%。研究采用Hashin失效准则和Tan-Camanho损伤扩展方法,对两种钉头型式的复合材料层合板机械连接接头的挤压失效过程进行了有限元分 析,预测了复合材料层合板机械连接接头的偏移挤压强度和极限挤压强度,模型预测值与试验值的误差不超过15%。     

三维纺织复合材料力学性能的实验研究

本文考察了三维编织方法的发展历史及应用背景，针对不同的编织方法，研究了所产生的编织复合材料基本“单胞”结构，以及不同编织参数对合材料构件基本力学性能的影响，着重比较研究了二步法及四步法所形成构件与层合板构件的结果，采用反射光弹技术考察了编织复合材料的孔边应力集中现象，得到了有益的结果。本文针对三维立体织物的特点，研究使用了ＲＴＭ成型工艺，得到了较好的编织试验件。     

基于分支梁模型的飞行器动力学建模与分析

研究了分支结构动力学建模对全弹模态的影响,分别建立了单梁和分支梁有限元模型,通过数值计算与试验结果对比分析发现,考虑分支结构对全弹刚度的影响时,能有效的提高模态预示精度。以分支梁模型为标准,建立了共用结点、MPC多点约束和Spring三种分支梁连接模型,基于Spring连接模型,分析了不同连接刚度对飞行器结构模态的影响。     

轴对称夹层结构热应力研究

本文对轴对称夹层结构的热应力问题作探索性研究,按照轴对称方程和本文的基本假设,推导了结构计算模型和三角形环元的刚度矩阵,以热应力试验方法作了验证。最后,将计算结果和试验结果作了比较。     

复杂布局机翼结构多约束优化设计

机翼结构需要同时满足强度、刚度、气弹和设备安装等要求,布置多个外挂设备的机翼结构设计约束更加复杂,传统方法难以得到最优方案。本文提出了通过约束机翼剖面弯曲刚度和扭转刚度来控制气动弹性的方法,研究了稳定性和位移敏度计算理论,结合工程准则法和数学规划法,搭建了适用于复杂布局机翼结构的多约束优化流程,以国产结构分析软件HAJIF为平台进行了程序实现,并结合工程机翼案例进行了方法验证。优化结果表明,本文方法能够以静力分析模型为基础,同时考虑强度、刚度和稳定性等多种约束形式,在有限计算机时内给出最优设计方案,具有一定的工程应用价值。     

地面效应中垂直起降状态旋翼的气动特性计算

基于时间步进自由尾迹和地面面元模型,构建了一种新的非定常空气动力学模型,用于计算有地效垂直飞行状态下的旋翼气动性能。为提高瞬态尾迹结构的求解稳定性和计算速度,本文使用了精度阶数更高的显式CB3D格式。计算证实,该格式能有效控制地面干扰所产生的数值误差,得到的尾迹结构也更符合物理实际。同时引入一种适用于非定常状态的"等体积修正"方法,以对计算中容易出现的涡线落入地面下方的非物理现象进行修正。在有地效状态下,将新构建模型的计算结果同试验数据进行了对比,验证了模型的准确性。进而计算了平面与斜面上有地效垂直起降状态下旋翼气动特性的变化特点,分析了其影响因素。     

高速风洞试验模型姿态角的视频测量及不确定度研究

高速风洞测力试验中,阻力系数精度瓯的先进指标为0.0001,按误差分配原理,要求试验模型迎角的测量精度以≤0.01°.为此,研究风洞试验中模型姿态角视频测量及其不确定度,给出其系统误差的补偿方法.实测数据(马赫数为1.5、2.0、3.0和4.0)表明:在2m暂冲式超声速风洞试验中,各阶梯迎角测量数据的标准差(含风洞气流脉动致模型姿态角振动产生的误差)在0.0018°和0.0094°之间,迎角实测估计值的标准不确定度≤0.003°,由此可知,姿态角视频测量系统的靠≤0.0094°.本方法既不破坏模型的外形,又不改变模型的刚度与强度,具有实用价值.     

一种满足结构动态特性要求的支持元件设计方法

对支持元件在结构动态特性设计中的重要性作了深入分析，提出了一种利用给定的固有频率、非完全的振型数据设计支持元件，使结构系统满足动态特性要求的支持元件设计方法。文中将支持元件的质量、刚度矩阵表示成设计变量的函数，根据要求的固有频率，已知支持情况的结构有限元模型，用简单的插值法获得了支持元件设计变量的初值；再设计过程中，为了避免振型数据不全的矛盾，采用聚缩模型的形式依据正交条件构造误差函数，用约束变尺度优化方法获得支持元件的最终设计结果。误差函数的梯度用差分法计算。最后详细给出了该方法在某型飞机机翼颤振吹风模型支持元件设计时实际应用的全过程，结果表明效果良好。