基于非线性有限元降阶方法的网格加筋筒壳结构屈曲承载特性研究

非线性有限元数值计算方法是结构屈曲性能评估的主要手段,然而该方法需要基于精细网格迭代求解,降低结构非线性计算规模是其关键技术之一。采用一种结构非线性有限元降阶方法,对均匀轴向压载荷作用下的网格加筋筒壳结构进行了细致的承载稳定性特性分析。该方法将Koiter初始后屈曲理论与Newton弧长法相结合,通过多次使用Koiter摄动展开来跟踪结构非线性平衡路径。计算比较了特征值屈曲载荷和计及几何非线性效应的非线性屈曲载荷值;采用侧向小扰动载荷模拟结构初始几何形状缺陷,分析了缺陷幅度对临界屈曲载荷的影响规律,在验证了非线性有限元降阶方法分析精度的同时,细致考核了该方法在结构非线性屈曲分析以及缺陷敏感性分析中的计算效率优势。     

整星热试验容器强度及稳定性分析设计

空间环境模拟器真空容器结构设计必须考虑外压载荷和设备载荷,进行详细的结构力学分析计算,使其结构安全可靠。文章采用有限元方法计算分析了容器的强度和稳定性,获得了复杂结构载荷下的应力和临界屈曲压力,在此基础上对容器进行了强度和稳定性评价,所得结果可为容器结构设计提供可靠的依据。     

透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂轴压屈曲分析及试验

对透镜式截面四层铺设薄壁碳纤维增强塑料(CFRP)管空间伸展臂进行轴压载荷试验,得到轴压临界屈曲载荷及屈曲特性。利用有限元模型进行线性特征值屈曲分析,并引入屈曲模态形式作为初始几何缺陷进行非线性屈曲分析,得到轴压下屈曲临界载荷及非线性屈曲特性,并与试验结果进行对比分析。结果表明初始几何缺陷对CFRP管轴压临界载荷影响较大,给CFRP管加入适当的几何缺陷可更有效模拟实际非完善体的屈曲载荷。进而对其材料厚度、层数和铺设角度进行参数分析,得到各参数对轴压临界载荷的影响程度及敏感性,本文对透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂的设计和深入研究具有重要参考价值。     

KM5A真空容器屈曲稳定有限元分析

文章从线弹性屈曲分析基本理论出发,应用有限元特征值屈曲的分析方法,对KM5A真空容器分6种工况进行了屈曲稳定研究,计算其临界载荷系数和临界载荷,通过对不同工况下屈曲波形图的比较分析,得到了影响薄壳稳定性的因素和提高薄壳容器稳定性的途径.     

薄壁加筋圆柱壳后屈曲分析方法研究

基于有限元采用非线性显式动力学分析方法,开展了轴压作用下薄壁加筋圆柱壳结构的后屈曲行为研究,比较了加筋圆柱壳结构筋条截面高宽比、蒙皮厚度、加筋疏密程度等结构几何参数对显式非线性算法计算屈曲临界载荷与隐式非线性算法计算结果的差异。研究结果表明,结构筋条质量与蒙皮质量之比大于0.4时,显式计算结果与隐式计算结果趋于一致,当筋条质量与蒙皮质量之比小于0.4时,显式算法计算结果与隐式算法计算结果会产生波动性差异。显式非线性分析能快速高效分析筋条质量与蒙皮质量之比大于0.4的薄壁加筋圆柱壳结构后屈曲行为。     

矩形薄板受面内非均匀分布载荷稳定性分析

对矩形薄板受面内非均匀分布载荷的稳定性问题进行了有限元分析,计算了多种边界组合条件下薄板的临界载荷系数。计算表明薄板的长宽比、相对厚度以及边界条件对临界载荷有大的影响。即使在传统意义的薄板范围内当相对厚度较大时厚度对临界载荷的影响有时已不容忽略。为方便工程实际,给出了基于矩形薄板受面内均匀分布载荷的屈曲当量因子,并给出了其拟合公式。该研究结果可为承受面内非均匀分布载荷薄板结构设计提供参考依据。     

月球钻取采样钻头结构参数对力学性能的影响

基于对螺旋钻头的输出月壤阻力、驱动力矩及月壤失效区的分析,建立了钻头的力学模型,该模型综合考虑切削具内外侧面与月壤之间的压力及摩擦力,考虑月壤侧向失效面的面载荷对钻头切削具周向力矩、总功耗及月壤失效距离的影响,数值仿真与试验结果校验了模型的正确性。在数值仿真过程中采用深层月壤本构关系的Mohr-Coulomb模型,使仿真更加符合月壤内摩擦角大于22°的真实情况。利用该模型分析并获得了钻头结构参数对切削具功耗和失效距离的影响规律,以钻头功耗最小为优化目标,用遗传算法对钻头结构参数进行了优化,优化结果降低了钻探过程中的烧钻风险。可为钻取式自动采样机构的钻头设计提供理论依据。     

复合材料壳体轴压稳定性分析

利用有限元结构分析法,引入线性屈曲模态作为结构的初始几何缺陷,对复合材料壳体的轴压稳定性进行了非线性分析。将计算结果与线性屈曲分析及实验结果进行了对比,结果表明,由于初始缺陷等非线性因素的影响,结构的线性临界载荷高于非线性临界载荷,进行非线性分析是必要的。文中对壳体承受轴压能力进行了初步估计,可为复合材料壳体的稳定性工程设计提供参考。     

复合材料燃烧室均布侧压下稳定性分析

利用结构分析软件ANSYS，采用非线性屈曲理论，对某固体火箭发动机的纤维复合材料壳体燃烧室在均布侧压作用下的稳定性进行了分析，考虑了不同药柱碍对屈曲载荷的影响，并与不计药柱时壳体承压能力作了比较。计算结果给出了燃烧室承受侧压能力的初步估计，同时表明，药柱模量的变化对燃烧室临界载荷有很大的影响，其承侧压能力随药柱模量的增大而增加。     

FASTMast伸展机构屈曲模式的理论分析与试验

针对空间站盘绞式（FASTMast）伸展机构在轨工作的承载与变形特点,从理论角度对以伸展机构后屈曲柔性条作为弹性支承的屈曲模式进行了分析。结果表明：在后屈曲柔性条达到临界刚度之前,伸展机构屈曲模式表现为肘关节运动,与伸展机构对角拉索无关;达到临界刚度之后,屈曲模式表现为欧拉屈曲,而后屈曲柔性条的刚度与其截面惯性矩成正比。通过与试验结果的对比,验证了理论分析的正确性,同时也为其它同类机构的设计和试验提供了参考依据。     

复合材料脱层屈曲的摄动解

用摄动法求解了３Ｄ复合材料中有纤维搭桥的圆形脱层的屈曲问题。搭桥纤维被视为连续分布于脱层屈曲上的线性弹簧，给出了脱层屈曲介载荷，挠度曲线与脱层半径、塔桥因子等的封闭关系式。根据支夹支－边界条件以及脱层只能向一个方向挠曲的约束条件，导出了一个特征长度α＾３，当脱导出α＾＊时，支屈曲时将发生靠近边界区域的接触现象，当脱导 地α＾＊时，地 曲将跨越整个支区域，并随着半径的减小，脱层屈曲的临界载荷将逐渐提     

大型空间模拟器封头的屈曲分析

封头是大型真空容器的重要组成部分,其主要破坏形式是产生屈曲,所以在真空容器的设计中必须对封头的屈曲特性进行分析。文章采用有限元法建立某大型空间环境模拟器的封头模型,通过有限元线性分析与非线性分析计算结果和经验公式计算结果相比较得到临界载荷,证明利用有限元方法来分析封头的屈曲特性具备可靠性和可行性。文章所得到的结论可为实际设计工作提供参考。     

壳体轴压失稳载荷的非破坏预示

本文提出了侧向柔度法。该方法把壳体的侧向柔度率作为控制参数,研究该参数随轴压的变化特性,结合低载荷下的实测数据,运用最小二乘法原理进行拟合,可预示失稳载荷。计算实例表明,这种方法是可行的。     

连接翼布局的非线性屈曲分析

以连接翼结构为研究对象,通过非线性有限元方法对其进行非线性屈曲分析,研究连接翼几何参数和载荷分布对结构非线性屈曲特性的影响规律。连接翼采用基于Co-Rotational格式的三角形平板壳单元进行建模,采用弧长法计算非线性屈曲的位移突跳现象以及后临界变形模式。研究结果表明连接翼典型的载荷-位移曲线模式包括刚度软化、位移突跳不稳定和刚度刚化三部分。连接翼夹角增大后非线性屈曲载荷因子逐步降低,但存在一个临界夹角,当角度超过临界角后载荷-位移曲线模式中的位移突跳不稳定阶段就不会出现。增加连接翼高度可提高结构的非线性屈曲载荷。在连接翼夹角不变条件下,减小下翼展长可有效提高非线性屈曲载荷,同时其载荷-位移曲线模式中的位移突跳不稳定阶段也将不存在。调整连接翼的载荷分布,将载荷更多地施加于上翼的同时减少下翼的载荷可提高结构的非线性屈曲载荷。     

复合材料径向和轴向螺栓连接失效预测方法及失效模式分析

大型火箭舱段间的复合材料端框连接主要由径向螺栓连接和轴向螺栓连接组成,设计了不同铺层和几何尺寸的连接试验件,并通过试验获得了失效载荷和失效形式。然后,选择了3种渐进损伤方法进行了连接结构的失效预测,并将预测结果与试验结果进行比较,结果表明：采用基于细观力学的复合材料渐进损伤方法,15组径向连接试验件失效载荷计算误差最大为17.3%;4组轴向连接失效载荷计算误差最大7.4%;预测的失效形式与试验结果接近,为连接结构确定了合适的失效预测方法。采用数值分析结果揭示了复合材料单向层的主要失效模式。为复合材料端框连接的设计研究提供了可用的失效预测方法及详细的失效模式分析结果。     

分层缺陷对复合材料壳体裙连接区轴向承载性能影响分析

为掌握固体发动机复合材料壳体裙连接区在复合材料界面分层缺陷状态下的承载性能,基于损伤失效分析方法研究了裙连接区不同界面、不同位置存在不同大小的复合材料分层/脱粘缺陷时的承载能力,分析了缺陷对裙连接区结构局部屈曲、裂纹扩展及损伤失效的影响规律。结果表明,复合材料层间界面存在临界缺陷尺寸,当缺陷小于临界尺寸时,结构承载能力基本不变,当缺陷大于该临界尺寸时,连接区的失效形式和极限载荷均受到较大影响;对于复合材料轴向补强层与环向缠绕层之间的初始分层缺陷而言,当缺陷位置处于裙连接区过渡层轴向位置之后时,裙连接区的承载方式无明显变化,仍受整体屈曲的控制;但缺陷位置与裙连接区过渡层轴向位置相同时,则易发生局部屈曲,对连接区承载能力影响较大。     

快速升压过程喷管侧向载荷流固耦合分析

针对固体火箭发动机大膨胀比喷管出现的侧向载荷,采用三维数值仿真方法进行分析。通过集成软件平台MpCCI,连接计算流体动力学软件FLUENT和有限元软件ABAQUS,结合FLUENT中UDF功能,对燃气流动与喷管结构运动变形进行了耦合计算。计算结果发现,此大膨胀比喷管在快速升压阶段先后经历了自由激波分离和受限激波分离;分析得出了较强的侧向载荷主要由不对称的燃烧波、激波转变和喷管出口部位的激波震动3种状态产生;侧向载荷的大小也与快速升压的时间快慢有较大关系。采用流固耦合计算方法能体现喷管的结构变形,从而更准确地反映喷管与燃气流相互影响的真实环境,为更深入研究大膨胀比喷管侧向载荷提供了支撑。     

新型复合材料功能梯度板热屈曲研究

针对目前功能梯度材料(FGM)热物参数存在众多不同表征方法的现状,假设功能梯度平板材料热物参数沿厚度向呈同一任意函数形式变化,基于经典板理论和一阶剪切理论,用临界平衡法推导板的屈曲方程,用Navier法求解方程,给出功能梯度平板热屈曲临界温度的通用解析式。考虑其热物参数对温度的依赖性,通过迭代算法获得了四边简支的功能梯度平板在均匀受热时临界屈曲温度变化的封闭解。以常用的指数型功能梯度平板为例进行了数值计算,分析了平板几何尺寸对其临界屈曲温度的影响。结果表明:结构尺寸参数是影响临界温升的最主要因素,临界屈曲温度分别随其厚长比和长宽比增大而单调增大。研究扩大了均匀温度场中功能梯度平板热屈曲临界温度计算公式的适用范围,有一定的工程意义。     

复合材料夹芯板的屈曲分析

本文考虑到了横向剪切的作用，通过应用最小势能原理和能量变分方法建立了复合材料夹芯板的稳定性控制方程，在位移场的表达式中，将横向和纵向位移对z进行泰勒展开，并且保留了前四项，在使得横向剪力满足在上下表面为零的条件下，选用了同一阶剪切理论相同的参数，即引入参考曲面的法线转角φx,φy，避免了引入横向剪力修正系数。给出了满足不同边界条件的基本项，采用了Galerkin方法，对稳定性方程求解，在对控制方程线性化以后，通过计算系数矩阵的最小广义特征值来获得了屈曲载荷，并且将屈曲载荷计算与文献做了对比，分析了夹芯板的几何尺寸，纤维铺设方式以及边界条件对屈曲载荷的影响。     

固体火箭发动机纤维缠绕壳体承载能力研究

为解决某型固体火箭发动机复合材料壳体承载轴压与弯矩能力不足问题,依据原壳体实体及其在轴压与弯矩联合载荷作用下的静力试验,建立了该壳体的有限元数学模型,并进行了静力计算和稳定性分析。计算分析表明,原壳体破坏的原因是层间剪切强度失效,复合材料基体开裂,局部屈曲和后屈曲破坏发生在铝裙尖端部位。提出用S-2玻璃纤维代替F12纤维做为裙外铺层改进原壳体结构,有效地约束了屈曲波形,提高了结构承载能力,解决了工程难题。