典型壁板结构爆炸冲击实验与仿真研究

空空导弹战斗部爆炸产生的爆炸冲击波毁伤源对飞机蒙皮结构的损伤效果受多种因素影响,作用机理较为复杂,因此冲击波对飞机蒙皮结构的毁伤评估需要大量的实验和计算样本支撑。本文设计并进行铝合金加筋平板静爆实验,分析固支加筋平板在冲击波加载下的动态响应和变形规律;采用有限元分析软件LS-DYNA对爆炸冲击下的结构响应进行仿真分析,通过对比仿真结果与实验结果对数值仿真模型的准确性进行验证。结果表明:孔洞面积占该形式加筋平板面积大于1‰时,靶板更容易发生以固支边界撕裂为主要形式的拉伸失效,增大孔径或增加孔的数量都有提高孔间贯穿损伤的风险;同爆距下爆炸物与目标迎爆面的夹角越大,靶板的变形程度越严重,夹角从30°增大至60°时目标挠度可增加30%以上。

薄壁结构在汽车吸能盒中的应用与展望

汽车安全性能是消费者购车时的关键考量因素。其中汽车的耐撞性能尤为关键,其核心部件吸能盒可以通过变形和压溃等机制吸收冲击能量,从而更大限度地保护乘客安全。为优化薄壁结构吸能盒性能,提高车辆耐撞防护性,分析了薄壁结构吸能盒的性能评价指标及其结构类型,揭示其变形吸能特征,最后提出对未来薄壁吸能盒发展的策略和建议,旨在为汽车安全领域的研究和实践提供思路。

飞机结构多部位损伤发生的可能性分析

基于疲劳统计学与断裂力学的基础,利用已有的飞机单细节结构试验结果,提出一种定量计算飞机结构发生多部位损伤(MSD,Multiple Site Damage)可能性的方法.该方法简化了飞机结构发生MSD可能性的计算,为飞机结构的安全性评估提供基础.该方法认为单细节的裂纹萌生寿命服从正态分布或对数正态分布.对于多细节的飞机结构,到某一时刻,当2个或2个以上细节萌生裂纹时,则认为该结构发生了MSD.给出了具体的方法介绍和理论推导,并给出了一个具体的计算示例,得到MSD产生概率与应力水平的关系曲线.计算结果表明,该方法计算合理,较符合实际情况,利于工程应用.

热声激励下金属薄壁结构的随机疲劳寿命估算

金属薄壁结构在热声载荷作用下会发生复杂的大挠度非线性响应,结构内部快速变化的复杂应力严重降低了结构的疲劳寿命。在结构热声激振非线性响应分析基础上,采用雨流循环计数法对应力响应时间历程进行疲劳循环计数,通过Morrow TFS,SWT平均应力模型将疲劳循环进行零均值等效处理,结合Miner线性损伤累积理论,计算结构的热声疲劳寿命。以2024-T3型铝合金薄板为研究对象,计算得到了屈曲前后四种温度条件有限带宽高斯白噪声载荷作用下的非线性动态响应,并估算了疲劳寿命。分析结果表明,屈曲前结构的疲劳寿命随着温度升高下降,屈曲后结构持续跳变时的疲劳寿命持续下降直至最低,结构进入间歇跳变区域后疲劳寿命上升,结构热声疲劳寿命与非线性响应特征具有特定的对应关系。

带有温度梯度的热载荷与声载荷作用下薄板动态响应

随着先进飞行器性能的提高,它们面临着日益严峻的热、噪声、机械载荷等,在这些复杂载荷的作用下,会引发非线性振动特性。特别是高超飞行器的气动加热引起的高温直接影响材料的选择并且显著地改变结构的设计实践,所形成的热梯度与内部热膨胀也会使结构产生热屈曲现象。考虑到热声载荷的影响,针对带有温度梯度的热载荷与随机声载荷作用下四边简支板振动特性进行了研究。通过各向同性矩形薄壁结构在热声载荷作用下的大挠度非线性控制方程,导出了四边简支板的模态频率以及温度梯度作用下的热屈曲温度差。采用有限元数值计算方法计算了热声载荷作用下简支板热屈曲前后的动态应力响应,并对应力的概率密度、功率谱密度、有效值进行了详细的统计分析。

含MSD铝合金平板的剩余强度试验研究

针对飞机结构中日趋显著的多部位损伤(MSD)问题,进行含多部位损伤铝合金平板结构剩余强度的试验研究。试验中使用三种不同的试验件,将其在相同应力水平下预制出一定长度的多条裂纹后拉断,记录断裂时的载荷。试验结果与常用的五种评估含多裂纹结构失效准则进行计算分析和对比,了解各个准则的准确程度。最后的对比表明,五种估算剩余强度的方法中,净截面失效和裂纹尖端张开位移法误差较大,断裂力学估算方法对于有显著主裂纹的情况更适用,塑性区连通和平均应力准则预测的偏差较小。

蒙皮加筋圆柱壳弯曲频率的三种计算模型

研究了加筋圆柱壳弯曲刚度的面积等效和惯性矩等效方法,分别分析了面积等效时截面惯性矩的精度和惯性矩等效时面积的精度.给出了计算蒙皮加筋圆柱壳弯曲固有振动频率和模态的等效梁模型、壳-梁模型和变厚度模型,这三种模型虽然皆可以用于火箭动态特性分析,但不同模型中的桁条作用机理不同.给出了与三维壳-梁模型和变厚度模型对应的一维解析解,据此解释了模型的物理机理.给出了薄壁壳弯曲频率计算中的临界厚度概念,指出了等效厚度方法的不足.

薄膜充气拱褶皱特性分析

为掌握薄膜充气结构褶皱发生及拓展演化规律,通过数值模拟和实验相结合的方法研究了薄膜充气拱的皱曲问题.据此分析了充气压力、材料厚度、结构尺寸和载荷工况4个参数对薄膜充气拱褶皱特性的影响.在此预报了薄膜充气拱在不同载荷工况下的初始起皱力、初始起皱位置、褶皱扩展演化规律及承载力并开展了薄膜充气拱的皱曲实验,验证了文中的有限元模拟结果.研究结果表明:结构尺寸对薄膜充气拱的褶皱特性影响最大,充气压力次之,材料厚度影响最小;在5种载荷工况中,Fx拉最安全,Fz面外最危险,其他3种载荷介于二者之间.

考虑分离特性的包带式星箭连接结构优化设计

针对高鲁棒性包带式星箭连接结构(CBJ)优化设计问题,提出一种兼顾结构的连接承载性能与分离冲击响应的包带式星箭连接结构轻量化设计方法。优化设计基于包带结构三维非线性有限元参数化模型,以连接框与夹块径向截面尺寸参数为设计变量,以结构静力学承载性能与动力学分离冲击为约束,以轻量化为目标。针对优化中设计空间高维度、非规则导致的算法收敛困难问题,提出了基于近似模型与序列采样策略的约束序列近似优化(CSAO)算法。结果表明:算法可实现在复杂设计域内迅速收敛至最优解,相较于初始设计,优化结构的质量降低了5.62%,同时,结构连接刚度提升了19.27%,卫星下裙解锁冲击降低了18.52%,在满足性能约束的条件下减重效果明显,验证了提出方法的有效性。设计的优化构型兼顾了连接与分离特性,具有一定的工程应用价值。

蒙皮加筋圆柱壳扭转频率的三种计算模型

为了给火箭等加筋圆柱壳结构的简化计算提供理论基础,研究了加筋圆柱壳面积等效方法中的扭转刚度计算方法,说明了不能直接根据等效厚度计算扭转刚度的物理机理,得到了桁条对圆柱壳扭转刚度的贡献可以忽略的结论.根据等效厚度以及桁条与蒙皮连接关系的不同处理方法,给出了计算扭转固有振动频率的等效梁模型、变厚度壳模型和壳-梁模型,分析了桁条在3种模型中对刚度和质量(包括转动惯量)的不同作用.为了消除根据等效厚度计算扭转刚度和扭转固有振动频率的偏差,分别给出了扭转刚度和扭转固有振动频率的修正方法.数值结果验证了修正方法和所得结论的正确性.

真实随机环境中大型结构的强度可靠性分析方法

将标准有限元和已有的迭代响应面法相结合,并将标准有限元与已有的改进的均值法相结合,给出了这两种适用于多随机性和多失效模式的真实环境中大型复杂结构的强度可靠性分析的方法。文中以算例分析了这两种方法的有效性和适用范围,指出解决高度非线性隐式极限状态方程问题可能的较为精确的方法。最后以真实的复杂飞机结构为例,分别用两种方法进行了考虑载荷和材料性能参数随机性的强度可靠性分析,并得到具有工程意义的结论。

换热系数对热机耦合作用下热障涂层性能的影响

通过有限元计算分析了热机耦合作用下的热障涂层不同的内壁换热系数对涂层系统隔热效果和应力分布的影响,为选择合适的内壁换热系数提供了参考作用.计算结果表明:随着内壁换热系数的增加模型中的温度随之降低,内外壁的温差以非线性曲线的形式增加;在热氧化生成层附近产生了较大的应力,并且主应力值随着换热系数的增加而增大.

飞机壁板结构战伤的动力有限元仿真

根据已有实验方案分别建立了离散杆和射弹高速冲击飞机壁板结构的有限元模型,利用显式动力有限元计算程序进行了冲击损伤仿真。仿真得到的壁板损伤模式及尺寸结果与相应实验结果比较吻合,验证了仿真选用的Johnson-cook材料本构模型和Gruneison状态方程参数以及侵蚀接触算法的可靠性。

薄壁结构高温随机振动疲劳寿命估算方法

为了研究涡轮转子叶片在高温环境中气流激振力作用下随机振动疲劳失效机理,从基础研究出发,采用薄壁板件为研究对象。基于高温试验台与振动台联合试验,结合数值仿真,得到了不同温度和不同振动量级组合下试验件根部与颈部的轴向动应力响应规律。基于疲劳累积损伤理论,采用改进的雨流计数法预估试验件的疲劳寿命。通过高温随机振动试验,同时参照常温随机振动试验,获得试验件在实际工况下的应力、应变、频率等动力学响应和寿命数据,并对各个试验组的响应与寿命进行数据统计,仿真与试验结果比较发现:数值仿真对试验件破坏位置判断准确,应力响应误差在5.6%以内,频率响应相差1%左右,疲劳寿命相差28.6%以内,证明了高温条件下随机振动疲劳分析方法是有效的而且精确的。

热障涂层热应力影响因素的正交有限元分析

利用有限元分析方法,采用Walker粘塑性材料本构模型计算了喷涂于圆管型试件上的热障涂层在室温和高温环境下的热应力.使用试验中常用的正交设计分析方法,分析了热障涂层不同的结构和喷涂工艺中的4种因素在取不同的水平条件时对热障涂层热应力的影响.分析结果表明:对于所考察的危险点,4种因素对热障涂层中热应力的产生都有显著影响,其中以氧化层的厚度对其影响最为严重;4种因素随其各自水平的变化对涂层内部应力变化的影响规律不同.

填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究

采用数值模拟的方法研究和分析了无填充物的多层铝管结构的吸能特性,结果发现多层铝管相比单层铝管,不但具有较大的吸能量,而且还具有较高的比吸能率;在此基础上,设计了不同层数的多层管泡沫铝填充结构,研究发现泡沫铝不但受轴向压溃变形,同时也受到了铝管层之间的相互作用力使其在径向发生了变形;之后对多层管填充3种不同密度的泡沫铝,采用变参分析的方法研究了多层管层数和泡沫铝密度对整个结构吸能特性的影响;研究结果表明:填充泡沫铝的多层管,随着层数的增加,其比吸能率和吸能量也随之有所增加,随着泡沫铝密度的提高,比吸能率的提高量开始下降,但仍高于填充相同泡沫铝的单层管。

复杂薄壁零件加工的辅助刚性增强方法

刚性差是薄壁零件加工领域的一个难题,采用包裹或填充辅料提高薄壁零件刚性的方法对解决薄壁零件加工变形问题、提高工艺性、控制尺寸变化有良好的效果,是提高薄壁件加工性能的有效途径,对提高加工质量和生产效率有着积极的意义。

粘弹壁板颤振的非线性动力特性

研究粘弹材料壁板在超声速气流作用下颤振时的分岔及混沌等复杂动力学特性。采用von Karman大变形理论及Kelvin粘弹阻尼模型建立壁板的动力学方程,通过线性活塞理论建立气动力模型。利用迦辽金法将壁板颤振模型转化为常微分方程组,并使用Gear的BDF方法进行数值求解。通过数值模拟研究了该系统在粘弹阻尼作用下的动力学行为以及粘弹阻尼的影响。计算结果表明,粘弹壁板颤振系统表现出丰富的动力学行为,其二次分岔特性很复杂。随着粘弹性阻尼的增大,系统的稳定解区域在减小,而静态屈曲解几乎不受影响,同时发现混沌运动区域也随着粘弹阻尼的增大而减小。

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.

平板焊接变形对铝合金搅拌摩擦焊加筋板轴压稳定性能的影响

对搅拌摩擦焊加筋板筋条间平板的焊接几何变形形式进行了简化,参考Paik等人的统计分析结果给出了几何变形的幅值;采用有限元方法对结构的轴向压缩稳定性能进行数值计算,得到不同的几何变形形式对结构屈曲失稳和承载能力的影响,并分析了侧边支持条件对计算结果的影响。计算分析表明,总体上,文中定义的平板几何变形会使加筋板结构的一阶屈曲载荷增大,但会在一定程度上降低结构的承载能力;变形形式会影响结构的屈曲模态、屈曲载荷以及承载能力。