陶瓷基FGM材料线形变厚度圆板的热后屈曲

建立沿半径线形变厚度陶瓷基功能梯度材料(functionally graded material,FGM)圆板在热环境中后屈曲控制微分方程,采用打靶法研究陶瓷二氧化锆基变厚度圆板在温度场中的后屈曲行为,给出了均匀和非均匀升温场中变厚度圆板的热后屈曲平衡路径特性曲线,讨论陶瓷梯度指标和厚度变化系数对后屈曲行为的影响。数值结果表明:非均匀升温下FGM圆板的热临界载荷小于均匀升温下的临界载荷;径向厚度的变化并不会影响热临界载荷的值,但会影响到屈曲以后的平衡路径;中心挠度随变厚度系数的增加而增加。     

粘贴压电层功能梯度材料Euler梁热屈曲前自由振动的半解析数值法

研究上下表面粘贴压电层的功能梯度材料Euler梁在升温及电场作用下的振动行为。在精确考虑轴线伸长基础上,建立压电功能梯度Euler层合梁在热-电-机械载荷作用下的几何非线性动力学控制方程。其中,假设功能梯度的材料性质沿厚度方向按照幂函数连续变化,压电层为各向同性均匀材料。把问题线性化,利用打靶法,获得在均匀电场和横向非均匀升温场内两端固定和两端简支Euler梁在热屈曲前自由振动特性的半解析数值解。由于材料在横向的非均匀性,即使在均匀升温和均匀电场作用下,梁内仍然会产生拉-弯耦合效应,对梁的自振频率也有一定的影响。     

FGM板三维层合模型及热-噪声载荷下的动态响应研究

 为了有效地分析热-噪声联合载荷作用下的飞行器功能梯度壁板结构的非线性动态响应,提出了运用复合材料多层壳单元建立功能梯度材料(FGM)板的层合有限元建模新方法,研究了FGM板在热曲屈前、后状态下复杂的非线性时域动态响应特性,并探讨了梯度指数、热曲屈系数及声压级(SPL)等参数对FGM板非线性动态跳变响应的影响规律。FGM板三维层合建模新方法避免了采用常规有限元法(FEM)建模时需要在厚度方向划分大量单元的缺点;求解FGM板非线性动态响应时采用的隐式积分方案避免了模态叠加法对参与模态选择的经验性要求及模态截断造成的信息丢失等缺陷。仿真结果表明:FGM板层合有限元建模新方法合理可行、过程简便、计算精度高;研究发现:陶瓷-金属FGM板在热屈曲后的抗声振性能并不像热屈曲前那样介于金属板和陶瓷板之间,而是表现最差;热屈曲系数及声压级的组合形式是导致FGM板发生非线性跳变响应的主要影响因素。     

热结构在随机压力载荷作用下跳变响应计算与分析

先进的航空航天器结构暴露在严酷的工作载荷环境中,包括复杂的机械力载荷、压力载荷、声载荷和热载荷,这些载荷会导致结构以非线性方式响应。研究了随机压力载荷作用下高温薄壁结构动态响应计算方法,并构建了计算模型。首先讨论了温度对结构刚度的影响,分析表明屈曲前结构刚度随温度升高而降低,屈曲后结构刚度随温度升高而升高。在此基础上着重讨论了随机压力载荷作用下高温薄板跳变响应,对热载荷作用下的结构屈曲,以及在随机压力载荷作用下呈现出的复杂非线性动态响应特征进行了分析。     

声载荷作用下高温薄壁结构响应特性分析

先进的航空航天器表面结构暴露在严酷的工作载荷环境中,包括复杂的机械力载荷、压力载荷、声载荷和热载荷等,航空航天器表面结构可简化为薄壁结构,在复合载荷作用下结构以非线性方式响应,呈现出复杂的响应特性。首先以热弹性力学、板壳理论及结构稳定性原理为基础,建立热及噪声载荷联合作用下薄壁板运动模态方程,讨论了薄壁结构跳变响应的机理,进而运用等价线性化方法求解模态方程,在此基础上分析了热及噪声载荷对薄壁结构屈曲的影响,进而探讨了热及噪声载荷作用下薄壁结构的非线性响应统计特性。计算了四边简支高温钛合金薄板在声载荷下四个关键点处的均方应变,为进一步开展薄壁结构声疲劳寿命估算和强度设计奠定了基础。     

受面内非均匀分布载荷的矩形板屈曲分析

薄板线性稳定性分析进行了很多年,发展得较为完善并且有手册可方便查阅。受非均匀面内分布载荷的板因为解析解不易求出,在分析中一般假设应力与边缘处的作用力分布规律相同。实际上此时板内的应力分布却与边缘处的不一样,而且还会产生另外两个应力分量,其影响取决于边界条件。采用有限元法分析非均匀载荷作用时薄板的稳定性问题,给出多种边界条件下的板的屈曲载荷,还给出了相应的基于受均匀载荷薄板屈曲载荷的当量因子。同时发现《飞机设计手册》中薄板受某线性载荷作用时的临界载荷因子不够精确。研究结果为承受非均匀面内分布载荷的板结构设计提供参考依据。     

热声载荷作用下薄壁结构的非线性响应特性

 高速飞行器面临着严酷的高温强噪声环境。温度载荷不仅使结构产生热应力,还会改变材料的物性参数,这使得薄壁结构在宽频噪声激励下具有复杂的运动形式,表现出强非线性特性,严重影响了结构的疲劳寿命。针对热声载荷对结构非线性特性的影响,建立了热声载荷下的非线性大挠度偏微分控制方程,对偏微分方程使用Galerkin法得到了模态坐标下的常微分方程组。计算了四边简支矩形钛合金板在不同温度和声压级(SPL)组合下的动态响应,得到了典型的热声响应运动形式,包括屈曲前的线性随机振动、屈曲后的跳变运动和围绕一个平衡位置的随机振动。通过分析方程中的恢复力项和响应的功率谱密度(PSD)随着温度和SPL的变化规律,对热声响应的非线性特性进行了研究。研究结果表明,热载荷和声载荷对响应非线性特性的影响方式不同:热载荷改变结构刚度特性曲线的形状,以临界屈曲状态的刚度为参照,屈曲前降低结构刚度,屈曲后增加结构刚度;噪声载荷使得结构工作在刚度曲线的不同区域,以不受载荷时的结构刚度为对照,强噪声载荷引起的持续跳变使得结构工作在硬化区域,间歇跳变时结构工作在软化区域。     

声/热/静联合载荷下钛板结构响应特性研究

复杂耦合载荷环境是导致高速飞行器进气道等部件破坏的重要因素。为预测静力、噪声、热等联合载荷作用下进气道壁板结构的响应特性,进而指导其结构设计及试验,以四边简支典型钛合金壁板结构为研究对象,由薄板大挠度运动方程出发,结合有限元法计算得到钛合金板的热屈曲系数、热模态特性以及预应力作用下的模态特性,利用顺序耦合方法计算壁板的热声响应。利用Newmark时间积分方法对计算进行非线性处理,分析得到壁板中心处的频率响应特性,采用蒙特卡洛法生成时域随机载荷,在此基础上计算得到钛合金壁板在静力、热、噪声联合载荷下的时域响应特性曲线。结果表明:热声载荷作用下,四边简支钛合金壁板结构的临界屈曲温度较低,容易产生屈曲,屈曲后结构的模态和频率均发生改变,其热声响应呈现复杂的非线性特征,静力、热、噪声联合条件下,由于静力的刚度硬化/弱化效应,壁板的热声跳变持续时间较短,且较快进入后屈曲状态。     

基于非线性渐进损伤模型的复合材料波纹梁耐撞性能研究

基于连续介质损伤力学,提出了一种包括层内和层间失效的非线性渐进损伤模型来预测复合材料波纹梁在轴向冲击下的失效行为。其中,层内损伤采用最大应力准则,并结合指数型损伤演化法则和刚度折减方法预测失效后的材料参数。层间损伤模型则采用了二次名义应力准则、基于混合模式能量的指数型损伤演化法则和黏性刚度折减方法建立。基于该模型,对典型的波纹梁结构参数和触发等对耐撞性的影响进行了研究。结果表明数值模拟结果与试验结果基本吻合,模型能够准确地模拟复合材料波纹梁在冲击过程中出现的分层、纤维和基体破坏等失效模式。波纹梁在破坏过程中吸收的能量、比吸能和载荷峰值随层数不断递增,降低高度和减小触发结构的截面面积均会降低载荷峰值。     

损伤对平纹编织陶瓷基复合材料梁振动特性影响的试验研究

为研究平纹编织陶瓷基复合材料（CMCs）梁受损伤影响的非线性振动特性,本文分别开展了拉伸试验和振动试验。拉伸试验用于获得平纹编织CMCs受损伤影响的变刚度行为,多次正弦扫频试验用于获得振动载荷下平纹编织CMCs梁受损伤影响的非线性行为。拉伸试验得到的非线性应力-应变曲线表明材料受损伤影响变刚度行为明显。梁初始固有频率的试验值与理论值相比,相对误差小于1%。振动试验结果从两方面表明了损伤对梁振动特性的影响。一是模态参数的变化,固有频率从初始值（256.44Hz）不断减小,阻尼比呈现增大趋势,而共振位移幅值受固有频率和阻尼比的耦合作用发生非线性且非单调变化。固有频率的变化造成位移幅频特性曲线的左移现象。二是位移幅频特性曲线的多峰现象,在多处载荷频率下产生了位移峰值点。本文的试验结果可用于指导平纹编织CMCs结构动力学计算理论模型的建立。     

热梯度环境下梁高频振动的能量流模型

航空航天领域中的结构常由于高速飞行时的气动加热等因素在内外表面形成明显的温度差异，结构内部也常因此存在温度的梯度分布。为分析含有温度梯度的梁在高频激励下的动力学响应，建立了热梯度梁的能量流模型。首先通过求解热传导方程得到了梁内的温度场。然后考虑温度场对材料属性的影响，确定了梁的物理中性层以消除拉伸-弯曲变形耦合。基于哈密顿原理建立了梁的弯曲变形控制方程，进而得到了梁弯曲变形的波动频散关系。进一步推导得到了周期平均与局部空间平均后梁振动能量密度与能量流之间的关系，通过任意微元体内的能量平衡关系得到了热梯度环境下梁的能量流模型。与基准解的对比表明，建立的能量流模型能得到热梯度梁在高频激励下较为准确的振动能量分布情况。     

考虑横法向热应变的Reddy型功能梯度梁理论

Reddy型高阶理论已被广泛用于功能梯度材料(FGM)结构分析,然而此理论忽略了横法向应变,难于准确分析功能梯度梁的热力行为。为提高Reddy理论分析热力响应的精度,提出了一种考虑横法向热应变的三参数Reddy型高阶功能梯度梁理论。此模型考虑了横法向热应变,但不增加额外位移变量。应用构建的模型分析了功能梯度梁的热力响应,并研究了不同体积分数对面内应力和位移的影响。数值结果表明,所提出的模型能准确分析功能梯度梁的热力响应,而忽略横法向应变的模型计算结果精度较低。     

SiC/C功能梯度材料的设计、制备及性能

采用粉末冶金法中的叠层法在2 000℃、40 MPa的热压烧结条件下制备了几类不同层数及成分分布指数的SiC/C功能梯度块体材料(FGM).所得样品的结构扫描图表明材料总体梯度特征显著,相比四层FGM样品,八层(SF8)FGM样品梯度过渡趋于连续,其不同层间层界面相对模糊化,界面处的结合性能良好,与最初设计相吻合;500℃～室温循环淬水实验表明,采用参数优化设计的SF8(P=0.6)FGM有效地缓和了内部热应力,具有良好的抗热震性能.     

碳纤维-环氧树脂波纹梁吸能能力的试验研究

 用试验研究了碳纤维 -环氧树脂圆弧型波纹梁在轴向准静态载荷下的损毁过程、峰值载荷和能量吸收能力。通过 3组不同尺寸的波纹梁在轴向准静态载荷下的压缩试验,研究了波纹梁的缓冲吸能机理,并对波纹梁的峰值载荷和吸能能力做了定量分析,讨论了不同结构尺寸对波纹梁在轴向准静态载荷下的峰值载荷和吸能能力的影响。     

等参梯度有限元应用于非线性梯度材料的研究

将等参梯度有限元法应用于非线性功能梯度材料,推导了2种受力情况下指数体积分数变化的功能梯度材料的应力分布解析解。通过不同的单元划分形式,对等参梯度元数值解、均匀单元数值解及解析解三者进行比较分析,得出等参梯度有限元方法对非线性梯度材料同样适用,为等参梯度有限元的推广应用提供了证据。     

高温环境下二维正交编织C/SiC复合材料壁板振动模态演化

为了研究高温环境下二维正交编织C/SiC复合材料壁板的固有振动特性随温度的变化规律,进一步揭示模态跃迁和丢失现象。首先建立了二维正交编织复合材料的细观非均匀有限元模型,基于细观模型采用体积平均法计算得到了均匀化后材料的模量、热膨胀系数和热传导系数等宏观性能参数。在此基础上,分别研究了均匀温度和线性非均匀温度载荷下,四边简支复合材料板在屈曲前后固有频率及模态振型随温度的变化规律。研究结果表明:在均匀温度场下,如果仅考虑热载荷对材料模量的影响时,随着温度的升高,各阶固有频率逐渐降低,但降低的幅度不大;仅考虑热应力对结构刚度影响时,在临界屈曲温度后固有频率反而上升,并且随着温度的升高出现了频率交错,其对应振型发生了跃迁现象;当同时考虑热物性和热应力影响时,各阶频率值变化趋势与仅考虑热应力时类似,只是对应温度点的频率值有所下降。而在线性非均匀温度场下,通过对比不同工况下的模态振型发现,随着温度的升高某些模态振型还会出现丢失,并且这种丢失是从低阶到高阶依次发生的。     

高温环境下板壳结构局部屈曲理论研究

传统高温板壳结构的热屈曲分析方法,在解决热-机械载荷耦合作用下复杂板壳结构的屈曲问题时存在较大的局限性,合理的局部热屈曲理论分析方法有助于提高板壳热结构设计水平。因此,根据高温板壳的结构特征和力学特征,在"机械载荷等效成局部边界压应力效应"假设前提下,提出了四种典型的应力等效的局部热屈曲模型,基于初始后屈曲渐近分析理论,建立了一套有效的局部热屈曲理论分析方法。采用上述方法,研究了完善和具有初始缺陷板壳的弹性热后屈曲性态,具体分析了带预载的四边简支模型,带预载的四边固支模型,带预载的三边简支、一边自由模型以及带预载的三边固支、一边自由模型,给出了板壳长度尺寸、厚度等参数对热屈曲载荷的影响规律,并将其推广到高阶热屈曲问题中。分析结果表明:板体现为分叉式屈曲,壳体现为跳跃式屈曲;在长宽比一定的情况下,长度越长,屈曲临界载荷越小,厚度越厚,屈曲临界载荷越高。     

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题,基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系,考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌,依据表、界面裂纹位置、性质不同,分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型,结合围线积分和内聚力单元法,分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态,研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响,揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明,表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态,靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%,且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%,表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导,界面裂纹对其影响相对较小,分析结果与试验结果一致。      

数字图像相关法在平板热屈曲试验中的应用研究

将基于非接触全场光学测量方法的数字图像相关法应用于网格加筋平板热屈曲试验。为了减小结构热屈曲试验中石英灯辐射加热设备和高温物体自身热辐射的影响,采用单侧加热单侧测量并通过光学滤光技术成功获得了瞬态气动加热环境下典型网格加筋平板的全场热变形,分析得到网格加筋平板在特定力载荷和支持边界条件下的热屈曲临界温升,此种非接触式高温数字图像测量方法可以作为判定结构热屈曲的重要手段。试验结果表明,数字图像相关法适用范围广、抗干扰能力强、测量精度高,在结构热屈曲试验领域具有重要的应用前景。     

含圆形分层损伤复合材料层合板在弯曲载荷作用下的屈曲行为研究

分层损伤是复合材料层合板结构最主要的损伤形式,其主要由于制造缺陷以及受到外力冲击而产生。本文对含圆形分层损伤复合材料层合板在弯曲载荷作用下的屈曲行为进行研究,首先利用RayleighRitz法对含圆形分层复合材料层合板进行二维模型建立,通过此理论模型可以计算出材料屈曲临界弯矩值以及在特定弯曲载荷下中心点的离面位移值。随后,采用三维数字图像相关方法对分层材料进行实验研究,得到了分层材料在弯曲载荷作用下的屈曲形貌以及其中心点的载荷—位移曲线。通过实验验证了理论的可行性与准确性,可用于对含圆形分层材料在弯曲载荷作用下屈曲临界弯矩以及中心点离面位移大小的初步估算。