复合材料格栅加筋板的平铺等效刚度法

采用数值分析方法研究了冲击后含损伤的复合材料格栅加筋板的后屈曲特性。基于mindlin一阶剪切理论和vonkarman大挠度理论,建立了冲击后蒙皮内含分层损伤复合材料格栅加筋板后屈曲分析的有限元方法;分析中同时考虑了蒙皮和肋骨中纤维断裂、基体开裂等损伤累积造成的刚度的退化和蒙皮分层子板间的闭合接触效应,为含损伤复合材料格栅加筋板的后屈曲特性研究提供了一种有效的数值分析方法。分析结果表明,蒙皮分层面积较大时,格栅加筋板出现蒙皮分层上子板的局部屈曲后仍然具有较强的继续承载能力,而在后屈曲分析中,应考虑损伤累积对格栅加筋结构承载能力的影响;采用非线性虚拟界面元可成功处理分层子板间的闭合接触效应。

通过建立复合材料格栅结构单元的基本力学假设和分析模型,推导了一种新的等效刚度计算方法,用于分析复合材料格栅加筋板的总体稳定性。该方法充分考虑了筋条和面板的相互作用和中面偏移效应,并具有通用性。结合rayleigh-ritz能量近似法,推导出了求解加筋板总体屈曲载荷的通用特征方程;分析了多种算例,并与修正平铺法进行了比较,结果吻合得很好。

先进复合材料格栅加筋结构有较高的结构效率和较好的设计性能,在航空航天领域有着广泛的应用。本文采用等效平铺刚度模型对格栅结构进行了力学分析,指出其屈曲载荷的求解方法,并用区间方法对工程中的非概率不确定因素进行定量,用遗传算法对格栅结构进行了可行稳健性优化设计。将稳健性优化的结果与传统优化的结果进行了比较,结果表明,稳健性优化得到的结构质量要高于传统方法,但结构的可靠性和稳健性显著提高。

数字投影条纹形貌测量方法具有非接触、全场性、测试仪器结构简单及测量精度高和实时自动处理等优点,能实时检测物体表面形貌的演化过程.使用四幅正弦相移条纹图像循环投影到正交肋增强的复合材料层合板上,采用相移法实时监测层合板在压缩过程中的形貌变化过程.测量结果显示复合材料层合板在各个正交增强网格内出现局部屈曲波包,在端部附近网格内表现为波峰,而在中间附近网格内显示为波谷.通过对指定位置的挠度分析可知,在整体试样弯曲的基础上,网格内的局部屈曲挠度随载荷而增加,实验测量数据有利于探讨其破坏机理及失效模式.

介绍了一种"工"字型加筋板试验件及其玻纤复合材料加载板的研制工艺过程,采用手糊玻纤复合材料垫板及泡沫塑料做挡条的模压成型工艺,研制出非均衡嵌入式等高加筋板,玻纤复合材料加载板与加筋板长桁达到等高且嵌入式无缝隙填充,消除试验夹具的误差,达到设计要求。

对在压缩载荷下先进复合材料等三角形格栅加筋板结构(ags)后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程进行了研究。基于一阶剪切变形理论和von-karman几何非线性关系,提出了ags结构后屈曲有限元分析模型;基于总能量释放率准则,并利用虚裂纹闭合法(vcct)及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程,在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应。并通过典型算例,讨论了不同的初始分层尺寸、肋骨刚度对等三角形格栅加筋板结构的分层起裂和扩展过程的影响,通过与具有相同几何尺度的正交格栅加筋板结构的比较,说明等三角形格栅加筋板结构具有较高的抗分层能力。本文方法和所得结论对ags结构的承载能力预测和设计将具有参考价值。

在新型、高效的拉挤互锁复合材料格栅结构的制造工艺中通过格栅肋开槽克服材料堆积,而开槽处的应力集中会影响结构的破坏和疲劳,是结构设计中需要考虑的一个重要因素。建立了加帽的格栅肋应力分析模型,应用复变函数孔口问题解的结果,得到了格栅肋开槽附近的应力解。分析了格栅肋开槽处的应力集中,讨论了开槽尺寸,材料常数等因素对应力集中的影响。

本文讨论了复合材料不规则截面梁等效刚度计算在工程软件中的实现策略。以msc.patran为平台,通过其自动加载编译函数文件、参数化建模、用户自定义菜单和图形界面、自动提交分析和读取结果等强大的前后处理功能,使用pcl语言开发了复合材料不规则截面梁等效刚度计算软件,提高了飞机结构设计和强度计算人员的工作效率。

针对复合材料加筋板结构的布局和铺层优化问题,发展了一种二级优化设计技术。第一级采用基于近似模型技术的布局优化方法,以筋条形式、个数、截面形状和铺层厚度作为设计变量,以结构质量最轻为目标函数,实现加筋板结构布局形式和截面尺寸的布局优化;第二级借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,考虑层合板的制造和工艺约束,以层合板的各铺层角作为设计变量,以层合板弯曲刚度系数与上一级优化所给最优弯曲刚度系数之间的误差最小为目标,实现了复合材料加筋板在固定铺层层数下的铺层顺序优化;在二级优化的基础上,通过协调稳定性约束,实现综合优化。算例表明:采用二级优化设计方法,可以很好地实现复合材料加筋板的布局优化设计。

为了提高使用材料的稳定性和有效性,针对航空航天飞行器中的典型结构复合材料加筋曲板的屈曲及后屈曲问题,根据等效宽度法的解析表达式,提出了一种快速计算方法,用matlab实现了屈曲临界载荷的数值解。改进方法与参考文献试验结论和有限元仿真有很好的一致性。研究了筋条高度变化对扭转刚度、弯曲刚度的影响,以及筋条高度与极限载荷、等效宽度之间的关系,为加筋板的实际工程开发和应用提供了便捷方法。

根据复合材料的力学特性,结合有限元理论和工程经验,提出了一种计算复合材料加筋板结构后屈曲承载能力的工程简化理论与方法,并以复合材料j型加筋板计算模型为例,从工程角度说明了计算后屈曲承载能力的思路与公式.利用该方法通过算例计算,将计算结果与实验结果进行对比,发现该种复合材料加筋板稳定性计算方法可以解决后屈曲的几何非线性带来的计算难度,能保持较高的精度,并可用于飞机结构设计的实际应用中.

复合材料低成本制造技术是先进复合材料格栅结构能否广泛应用的关键。目前,以混合工艺法、模具膨胀工艺和拉挤-互锁及其增强改进工艺为代表的工艺方法已经取得较大的成功和应用,我们应该继续研究可靠性高、可重复性强和自动化的成型工艺方法,引进和发展大型ags结构的自动化生产设备。

采用商业有限元软件msc.nastran,运用简单的shell单元对复合材料格栅结构蒙皮和加强筋进行模拟,预测复合材料格栅结构名义纵向拉伸强度/模量,弯曲强度/模量。计算结果表明,随着复合材料格栅中肋高度的增加,名义弯曲强度/模量和拉伸强度/模量均有下降趋势。

采用基于复合材料一阶剪切效应理论的有限元法分别研究了含分层损伤的复合材料层合光板、单向加筋板和格栅加筋(ags)板的热屈曲性态。在分析中考虑材料热物理性质与温度相关特性,同时在分层前缘采用了位移约束条件以保证分层区域的各子板的变形相容要求。3种结构的典型算例分析和结果的比较表明,复合材料格栅(ags)板具有很强的抗热屈曲的能力,但是,分层损伤将使其临界温度降低,同时还会导致热屈曲的模态发生改变。本文中提出的方法和所得结论对ags结构的热承载能力预测和损伤容限设计将具有参考价值。

在拉挤-互锁平板型复合材料格栅结构的制作演示基础上,提出了几种增强改进的方法,并实现了一种平板型复合材料格栅结构的制造。借助有限元模型,考虑到结构的力学性能和制作工艺,对结构的最优化几何参数进行了研究,建立了加帽增强平板型格栅结构几何参数的初步设计方法。

复合材料在静态和动态载荷作用下的损伤形式是十分复杂的,精确的模型能更深刻地揭示复合材料的损伤机理。以hahn和tsai提出的单向损伤模型为基础建立了刚度递降关系,运用上述刚度递降关系给出了一个疲劳寿命算例,计算数据与试验结果较为吻合,相对误差分别为7.72%和8.79%。结果表明:材料在循环加载作用下的损伤过程大体上可以分为两个阶段;通过保留泰勒级数展开二次项,能准确模拟出材料的"突然死亡"行为。

以复合材料层合板各单层连续变化的铺层角度为设计变量,在有限元软件中对层合板结构的基频进行优化分析,在四边简支和固支两种不同的边界条件下,结构的基频分别提高了4.9%和16.2%,并对优化前后结构的静力失效强度进行了对比分析。随后将这种优化方法应用到某无人机复合材料机翼格栅结构中,针对格栅结构蒙皮和肋板共计24个纤维铺层角度进行了优化设计,使结构基频提高了10.6%,同时结构的承载能力也有了一定程度的提高。

通过采用辅助层压板和添加极小弹性模量材料的复合材料加筋壁板有限元建模方法,应用msc.patran/nastran的参数化建模与遗传算法相结合的复合材料加筋壁板的两步优化方法,对复合材料t型加筋壁板进行了从2000n/mm到6000n/mm压缩载荷下的结构优化分析。提出的基于参数化模型和遗传算法的复合材料加筋壁板的两步优化法分为壁板级优化和层压板级优化两部分,在壁板级优化得到最优的结构尺寸参数,在层板级优化得到最优的层压板铺层顺序。

将最优化方法应用到复合材料格栅板的载荷重构中,基于文献[11]所建立的前向响应模型,通过构造误差性能指标j表征前向响应模型与实测响应的差,将载荷的反演转换为所定义误差性能指标极值条件的获取,应用平滑算法对指标j的极值进行了求解;并借助分布式响应的功率梯度云和指标j极值点的搜索给出了一套由粗到精的载荷定位方法,实现了ags板的载荷时程和载荷位置的同时重构。算例与实验研究表明,本文方法具有较高的反演精度和鲁棒性,从而为ags的工程应用提供了必要的技术储备。

先进复合材料格栅结构(ags)在航空、航天结构工程中有着广泛的应用前景。本文作者针对低速冲击载荷作用下先进复合材料格栅结构的载荷重构进行了研究。本文中研究了平板型复合材料格栅结构在横向低速冲击载荷作用下的前向响应近似模型。考虑ags板蒙皮/肋的弯剪耦合效应和截面偏心距e,对平板型复合材料格栅结构的等效刚度模型进行了改进。基于改进的等效刚度模型和非对称mindlin板理论,建立了平板型格栅结构的前向响应近似模型及其状态空间表达式,应用傅立叶展开求解了低速横向冲击载荷作用下的结构响应,并通过数值试验验证了该方法的实用性与可靠性。该部分研究将为平板型复合材料格栅结构的载荷重构ⅱ:逆向重构的研究提供前提条件和理论基础。

本文研究了采用硅橡胶热膨胀法制作复合材料加筋面板的工艺方法,对该法的基本原理进行了简单阐述,探讨了关键参数工艺间隙值的设定方法,并分析了工艺间隙对制件质量的影响,最终制备了优良的复合材料加筋面板结构试验件。

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