复合材料机械连接数值模拟技术

由于复合材料的脆性、弹性和强度等性能参数的各向异性的特性,使得其无论是静载分析还是疲劳分析均比金属材料的分析复杂;层合板的层间特性和疲劳分析中材料性能的退化,更是加剧了问题的复杂性。应力分析的准确性、失效准则的合理性及材料性能退化准则的客观性,为数值模拟方法的可行性及其结果的可信性奠定了基础。

航空7050铝合金孔挤压强化及其响应特征研究

为深入理解航空7050铝合金机械连接接头孔挤压强化的力学响应特性,提出了多个不均匀性指标,结合数值模拟定量评估了挤压强化参数对残余应力分布不均匀性的影响;在交变加载条件下,同时从应力水平和应力幅值两个维度,定量分析了挤压强化参数对结构应力响应的影响。结果表明:芯棒挤压后孔壁附近获得对疲劳性能有益的残余压应力,该应力沿厚度方向呈梯度分布,且当挤压量超过某临界值后其分布不均匀指标趋向平缓;纵向残余应力沿横向分布的特点是由孔壁附近较高的、存在大梯度变化且分布范围较窄的压应力转变为外侧的较低的、较为平缓且分布范围较宽的拉应力,且二者极值、残余压应力分布范围随挤压量的增大而增大;未经挤压试件的纵向加载应力由孔壁向外呈单调下降趋势,且孔壁应力集中系数高达3.7~4.1,而经孔挤压试件因挤压残余压应力效应其加载应力分布曲线不再是单调曲线,且高挤压量下孔壁应力甚至不及外侧应力的50%;高挤压量下卸载应力横向分布曲线与残余应力曲线几乎重合,但挤压量小于某临界值时孔壁附近的卸载应力低于残余应力;芯棒孔挤压只降低孔壁附近应力的大小,不改变其幅值。

基于PDE灵敏度滤波器的算法研究

采用PDE灵敏度滤波器可以消除连续体结构拓扑优化结果存在的棋盘格现象、数值不稳定等问题,且PDE灵敏度滤波器的实质是具有Neumann边界条件的Helmholtz偏微分方程.针对大规模PDE灵敏度滤波器的求解问题,有限元分析得到其代数方程,分别采用共轭梯度算法、多重网格算法和多重网格预处理共轭梯度算法对代数方程进行求解,并且研究精度、过滤半径以及网格数量对拓扑优化效率的影响.结果表明:与共轭梯度算法和多重网格算法相比,多重网格预处理共轭梯度算法迭代次数最少,运行时间最短,极大地提高了拓扑优化效率.

7075铝合金极小边距干涉配合强化分析

鉴于边距/孔径比小于1.5的极小边距设计使机械连接部位受力环境更为严酷,基于数值模拟、结合理论分析,研究干涉量对7075铝合金极小边距干涉配合结构的力学响应的影响。计算结果显示:低干涉量下,孔壁平均接触压力及纵向应力随干涉量的增大而大幅提升,当干涉量提高到一定水平时,其影响显著减小;在极小边距条件下,干涉配合的引入使结构中纵向应力沿横向分布更均匀,并且能有效降低孔边纵向应力的幅值;当干涉量高于某临界值后继续增大干涉量时,孔边应力幅值趋于一个稳定值。分析表明,在极小边距条件下,干涉配合仍然存在弹性强化效应。

基于动态高斯滤波的拓扑优化灵敏度过滤方法

为解决拓扑优化中出现的边界模糊问题,提出一种结构拓扑优化灵敏度过滤的动态高斯滤波方法。该方法的主要思想是:随着拓扑优化的进行,基于结构离散性能指标减小高斯函数标准差的值,即降低周围单元对中心单元的影响。结合固体各向同性惩罚微结构模型(SIMP),通过经典算例验证了该灵敏度过滤方法的可行性。数值实验结果表明:基于动态高斯滤波的灵敏度过滤方法,不仅可以消除棋盘格和网格依赖性等数值不稳定现象,还可以避免出现“边界扩散”现象,使拓扑优化结构具有清晰的边界;此外,该方法还可加快拓扑优化的收敛速度,提高拓扑优化的稳定性。

关于2011年CUMCM-D题的一种解法与若干思考

本文系2011年全国大学生数学建模竞赛专科组高教社杯获得者针对本年度竞赛D题的一种解法与若干思考的阐述。首先系统介绍了对此题认识和解题思路;其次提供了一类基于启发式算法求解此问题的参考解法;最后对该问题提出了进一步研究的一个方向。

钛合金电磁铆接数值模拟

为了更深入地认识钛合金铆钉成型时镦头内温度场的变化及其对绝热剪切带形成的影响,在ABAQUS平台上建立了3D有限元模型,综合考虑了材料的应变硬化、应变率硬化、热软化效应及摩擦和结构的非线性。计算表明:剪切带内应变高度集中,温升高达500℃,高温区域与剪切带基本重合,最高温度超过了其再结晶温度。

拉伸板中心孔干涉配合对载荷幅值的影响

为研究干涉配合中被连接件最小截面(SCS)所传递载荷(截面载荷)的幅值得以降低的原理,按一定规律对销钉与板进行分区,并将其用同等刚度的弹簧代替,建立了销钉干涉配合的弹簧分析模型,进而从弹性角度解释了干涉配合中板的最小截面所传递载荷的幅值得以降低的原因。基于该模型分析了静载下截面载荷随外载的变化规律,得到了循环载荷下截面载荷幅值与外载幅值间的关系,其与有限元分析(FEA)结果之间的最大误差不到20%。分析发现:连接件与被连接件间的接触力随外载变化的自动调节作用是截面载荷幅值降低的原因;对于特定的绝对干涉量,干涉配合只对一定范围内的外载具有调节作用。当外载在干涉配合的有效影响区时,截面载荷幅值的降低程度完全决定于连接件与被连接件的相对刚度;若外载过大使得钉孔发生分离,干涉配合不仅对载荷幅值不再具有调节作用,还容易引起钉孔接触面的微动磨损。

复合材料螺接性能的影响因素研究

利用有限元软件ANSYS建立了单钉双剪复合材料单拉接头的1/2模型,研究了钉孔配合、螺栓预紧力和接触面间摩擦对接头的强度等性能的影响。设计了若干实验,证明有限元模型是有效的,其计算误差控制在10%以内。有限元计算结果表明:小干涉量的过盈配合能极大地提高接头的强度,与3%间隙量相比,最优干涉量下接头强度可提高36.5%;适当的螺栓拧紧力矩也可提高接头的强度;接头中被连接板间的摩擦对接头强度也是有利的,但在一定接头尺寸条件下,摩擦力的增大有可能会改变接头的破坏模式。以上研究成果为复合材料多钉连接钉载分配均匀化的参数化分析提供了一个突破口,这也是本文后续研究的一个内容。

铆模倾角对铆接质量的影响研究

电磁铆接(EMR)作为一种新的铆接工艺方法,可以使铆钉在铆模型腔内一次完成镦头成形。为了研究铆模构型对EMR质量的影响,通过数值模拟和试验对不同倾角铆模铆接的铆钉镦头、干涉量和残余压应力进行了研究分析。设计疲劳试验对不同倾角铆模铆接的试件进行验证和分析。研究结果表明:铆模倾角对干涉量有较大影响,倾角越小,干涉量越大;采用66°铆模倾角可以实现较理想的干涉配合,接头疲劳寿命最长。

干涉配合弹性强化机理分析

鉴于基于支撑效应(SE)的干涉配合疲劳强化理论具有内在的局限性,通过引入弹簧模型(SM)研究了干涉配合的强化机理,以期获得更全面的认识并促进干涉配合技术的应用。首先,分析了支撑效应理论的不足之处,提出了经典理论难以解释的多个问题;然后,介绍了弹簧模型的基本思想及其求解结果,从弹性变形的角度对以上疑难问题作出了解释;最后,借助弹簧模型给出了干涉量的优化方法,并得到了最佳干涉量的解析表达式。弹簧模型的计算结果表明:干涉配合存在一种动态的弹性强化机制,在交变外载作用下结构组件的弹性变形及接触的自动调节作用,是被连接件传载幅值得以降低的原因;干涉量的选取不仅要考虑结构尺寸和材料,同时还应结合实际的载荷条件。