基于热-流-固耦合方法火焰筒壁温三维数值模拟

准确地确定火焰筒壁温分布是对其进行热结构分析的前提和基础.基于ANSYS/CFX程序平台,采用基于燃烧模型的热-流-固耦合有限元方法,对某环形回流燃烧室的整个流场、温度场进行数值模拟,得出火焰筒壁温三维温度场分布.计算中考虑了燃烧热源和热辐射,燃烧和流场变化对换热的影响,以及燃气、煤油和固体物性参数随温度的变化.数值模拟结果表明,将流场和固壁进行耦合求解,能更精确反映流场和温度场的整个形态,可以模拟出较为合理的流场和温度场分布以及相应的流动换热特性.所做工作对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.      

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。     

带口盖复合材料柱壳压缩性能

研究了1/3弧长带有口盖复合材料柱壳的压缩行为.实验测试的带口盖柱壳结构在压缩后发生局部屈曲变形,无后屈曲现象发生,屈曲破坏载荷为118.944 kN.利用ABAQUS有限元软件建立相应有限元模型计算其屈曲破坏行为,并将计算结果与实验结果进行比较,证明所建立的模型正确有效.利用所建立的模型,探究提高结构屈曲载荷的方法.研究表明:补片与口盖的铺层角度对结构的屈曲载荷有直接影响,如果补片与口盖的铺层角度由0°变为20°后,结构屈曲载荷可以分别提高6.8%和2.4%;补片厚度也与结构屈曲载荷相关,但试图增加现有补片厚度来提高结构屈曲载荷方法并不十分理想.当补片厚度由11层提高到16层时,结构屈曲载荷也仅提高了2.37%,考虑成本与重量因素,此方法与改变铺层角度相比不可取.     

多轴疲劳寿命分析方法在飞机结构上的应用

针对飞机结构上常见的处于多轴应力应变(比例多轴)状态下的典型结构,采用3种多轴疲劳寿命分析模型,对该结构的疲劳危险部位进行疲劳寿命分析,并与单轴寿命分析方法的分析结果、疲劳试验结果进行了对比分析。首先对该结构进行细节有限元计算,确定结构的应力分布与应力水平,当载荷施加到88%的最大一级的峰值载荷时,疲劳危险部位的孔边即出现显著的塑性应变,因此,选用低周疲劳(LCF)寿命预测模型进行分析。选取的3种分析模型均是基于临界面的分析模型,分别是Wang-Shang模型、Smith-Watson-Topper(SWT)模型以及Morrow-Brown-Miller模型。为验证分析模型工程适用性,开展了该结构的多轴疲劳试验。与试验结果相比,3种分析模型的预测结果均偏大,其中Wang-Shang模型的预测结果最接近试验值,适用于本文这类结构;SWT模型和Morrow-Brown-Miller模型的预测结果误差相对较大。对于处于多轴载荷状态下的结构,应按照多轴疲劳寿命分析方法进行寿命预测,单轴疲劳寿命分析方法将给出过于危险的评定结果。      

薄板的后屈曲损伤分析与疲劳寿命预估

针对薄板在面内压缩载荷作用下的后屈曲损伤问题进行了研究,并进一步考虑屈曲与疲劳损伤的耦合作用,预估了薄板的疲劳寿命.首先建立了薄板的有限元模型,通过线性屈曲分析得到屈曲临界载荷和屈曲模态,进而采用大变形理论,将线性屈曲的一阶屈曲模态作为初始位移扰动,进行薄板的非线性屈曲分析,得到屈曲临界载荷.其次,根据损伤力学理论与方法建立了薄板材料在单次加载过程中的损伤演化方程,并根据材料疲劳试验结果进行参数识别,获取损伤演化参数.根据非线性屈曲分析结果和损伤演化方程进行了后屈曲损伤分析.最后,考虑疲劳载荷的作用,基于损伤力学理论,采用有限元数值方法求解,考虑每次加载引起的损伤与后屈曲应力应变场分析的耦合作用,通过反复迭代计算,给出了结构疲劳寿命.本研究为工程结构的后屈曲损伤分析以及考虑后屈曲损伤的疲劳寿命分析提供了一种新方法和实现手段.      

热沉结构管接头的应力计算与实验验证

由于大型空间环境铝热沉设备KM6承受周期性的应力,使空间实验室结构存在安全问题,因此选择T型、L型两类典型热沉构件,运用大型计算软件PATRAN,NASTRAN对构件在压力谱与温度谱共同作用情况下进行应力分析,得到关键部位的应力.采用实验方法确定了热沉各连接部位的应力,并把有限元计算结果和实验结果进行比较.结果表明:有限元计算的结果与实验测量结果基本一致,从而可以采用计算方法确定空间实验室的工作应力,进行其结构的安全性预报.     

不确定初始几何缺陷杆动态屈曲失效分析

由初始几何缺陷所引起的结构屈曲载荷降低最高可达70%.由于制造误差等原因使得结构初始几何缺陷往往具有不确定性,而这种不确定性又必然会导致结构屈曲荷载与动态屈曲响应的不确定性.研究了动载作用下含有不确定初始几何缺陷杆的动态屈曲失效问题.基于积分挠度定义了动态屈曲安全因子.采用区间分析方法和凸模型方法,给出了具有不确定初始几何缺陷杆的基于积分位移的动态屈曲安全因子的最不利估计,其结果为判断具有不确定初始几何缺陷杆结构的动态屈曲失效分析提供了重要依据.      

局部配置法求解TBC界面裂纹应力强度因子研究

主要探讨了应用局部配置法求解拉伸载荷下和热载荷下陶瓷隔热涂层界面裂纹的应力强度因子的方法.对于陶瓷隔热涂层,其陶瓷层与粘结层之间的界面裂纹的应力强度因子是复型的,它包括应力强度因子的模和相位角.其求解与传统均质材料的应力强度因子是不同的.     

湿热问题全复合材料夹层板面芯分层屈曲研究

根据含面芯分层损伤的均衡复合材料夹层板在面内载荷作用下的变形特点,建立了一个基于分析椭圆分层局部屈曲变形的二维模型,考虑了分层边界附近未脱胶芯子对分层子板的影响,利用复合材料层板湿热本构关系式和瑞利-里兹法对面芯分层的屈曲进行具体的研究,分析了不同材料面板,不同铺层以及各种湿热情况对临界屈曲载荷的影响.结果表明,湿热情况便夹层结构刚度和强度下降.     

激光焊接带口盖加筋壁板剪切性能分析

针对双光束激光焊接带口盖加筋壁板开展了剪切稳定性试验,分析了带口盖加筋壁板在受剪状态下的屈曲载荷、屈曲形式、后屈曲承载能力及破坏形式。建立了壁板与剪切夹具的有限元模型,对壁板的剪切失稳形式及后屈曲承载能力进行仿真计算,并探究了口盖对加筋壁板的承载能力、应力变化及面外变形的影响。结果表明:带口盖加筋壁板在剪切状态下,当屈曲比达到1.95时,加筋壁板进入后屈曲,最终破坏载荷约为屈曲载荷的2.98倍。仿真与试验得到的载荷-位移曲线较为吻合,有限元法得到的屈曲载荷和破坏载荷与试验平均值误差分别为8.7%、1.02%。开口壁板的承载能力及刚度均下降,螺栓紧固口盖对加筋壁板的应力与面外变形影响较大。      

整体次加筋壁板屈曲载荷近似计算方法

为了在初步设计阶段能够快速计算整体次加筋板的失稳载荷,在一些合理假设的基础上,提出了一种简单的近似计算方法.以无缺陷的四边简支的矩形次加筋板为研究对象,针对该结构的3种失稳形式,利用传统加筋板理论分别计算相应的屈曲载荷,并以3种失稳形式中最小的临界屈曲载荷作为整体次加筋板的近似屈曲载荷.应用ABAQUS软件的屈曲线性摄动步方法分别计算了两组有限元模型:一组用来验证3种失效形式理论公式计算的准确度;另一组是整体次加筋板有限元模型,用以验证所提出的次加筋板屈曲载荷计算方法的适用性.以上研究均考虑了纵向压缩载荷和压剪组合载荷两种工况.计算结果表明,理论近似计算方法能够准确地计算次加筋板的失稳载荷,有一定的工程应用价值.      

正交各向异性复合材料圆锥壳非线性稳定性分析

利用能量变分原理和非线性几何方程推导了圆锥形薄壳稳定性的基本微分方程，并建立了适合于一般各向异性复合材料圆锥壳的Ｄｏｎｎｅｌｌ型控制方程，针对正交各向异性复合材料圆锥壳的特殊情况，选择适当的位移函数，通过坐标变换将难于求解的变系数偏微分方程转换为容易求解的常微分方程。根据所设位移函数，严格从协调方程中推导出应力函数的表达式，并用伽辽金方法分析了正交各向异性圆锥壳在外压作用下的稳定性问题，最后得到一     

复合材料夹层结构的逐渐破坏计算模型

建立了可以预测面内破坏、分层破坏和芯层破坏的复合材料夹层结构逐渐破坏模型.利用能量变分原理和非线性几何方程,以反对称失稳为例导出了考虑剪切效应夹层板的非线性稳定性控制方程组,并利用广义傅氏级数法对此高阶偏微分非线性方程组进行数值求解,在此基础上利用蔡-胡及最大剪应力强度理论及刚度退化规律得到复合材料夹层板的临界载荷、后屈曲路径、破坏过程和强度极限.      

屈曲模态对含缺陷复材加筋板后屈曲的影响

某些结构类型的复合材料加筋板,由于一阶和二阶屈曲载荷十分接近,在压缩失稳时,相同的试验件会出现不同的失稳模态,并表现出明显不同的后屈曲承载能力。就此问题,进行了试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过影像云纹法和超声C扫技术监测试验件的失稳模态及缺陷扩展情况,以确定不同失稳模态对相同试验件后屈曲承载能力的影响。基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用虚拟裂纹闭合技术（VCCT,Virtual Crack Closure Technology）模拟含预置脱胶缺陷的筋条-蒙皮界面,将失稳波形以几何扰动的形式引入后屈曲分析。通过分析缺陷前缘应变能释放率,研究两种模态下缺陷扩展特性。计算结果与试验结果相吻合,研究表明两种模态下缺陷的扩展特性明显不同,导致该型加筋板在3个半波失稳模态下的后屈曲承载能力明显高于2个半波模态下的后屈曲承载能力。     

轴压开口圆柱薄壳屈曲分析与试验

开口圆柱薄壳结构的轴向承载能力和稳定性分析是空间薄壁管式伸展机构(STEM,Storable Tubular Extendable Member)设计的关键问题之一.基于特征值屈曲分析方法,研究了轴压铍青铜开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的屈曲载荷与设计参数间的关系,利用幂函数拟合的方法建立了一种轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型.通过铍青铜开口圆柱薄壳轴向压缩试验对特征值屈曲分析和所建立的轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型进行了验证.结果表明:特征值屈曲分析方法可用于各向同性材料开口圆柱薄壳结构在两端固支条件下的轴向承载能力与稳定性分析;使用轴压开口圆柱薄壳屈曲载荷模型计算各向同性材料的开口圆柱薄壳在两端固支条件下受轴压作用时的屈曲载荷,最大误差为21%.     

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.