基于均匀网格的复合材料层合板分层损伤建模

基于扩展逐层法(XLWM,extended layerwise method)、多维最大熵原理和分层前缘跟踪算法,建立了一种用于分析复合材料层合板分层损伤的均匀网格快速建模和分析方法(FUGD,fast uniform-grid delamination)。利用该方法可通过C扫描(或X射线)图像和二维均匀有限元网格快速建立分层损伤分析模型。首先,基于多维最大熵原理和扫描图像上的像素点灰度值重建分层区域,处于分层区域的有限元节点被标记为分层节点;然后,通过分层前缘跟踪算法和已标记为分层的节点精确地跟踪分层前缘;最后,以含方形、圆形、双圆形分层区域的方形层合板为例,验证该方法的有效性。

含埋藏裂纹结构的拘束效应和蠕变裂纹孕育期研究

以含埋藏椭圆形裂纹的高温试样结构为研究对象,基于延性耗散模型,用三维(3D)有限元方法对其拘束效应和蠕变裂纹孕育期进行了研究。结果表明,对于裂尖前沿拘束水平,拘束参量Q的最大值总是分布在椭圆形裂纹的长轴端点处,且随着裂纹横向长度c和纵向长度a的增加,拘束参量Q越大,意味着应力集中越严重,该处位置更为危险;对于蠕变裂纹孕育期,椭圆形裂纹深度比a/t越大或长度比a/c越小,或者载荷越大,则蠕变裂纹损伤率越高,结构发生蠕变裂纹萌生的孕育期越短,结构越危险。此外,建立了拘束参量和蠕变裂纹孕育期的预测公式和工程计算方法,并验证了蠕变裂纹孕育期工程计算模型的有效性。

含多处分层损伤平面编织层合板自由振动特性研究

基于层合板Mindlin一阶剪切变形理论,研究多处椭圆内埋型分层损伤对复合材料层合板固有特性的影响规律。根据一般分层模型,并采用线性接触模型模拟分层区域上、下子板的相互作用,建立含多个椭圆内埋型分层损伤平面编织层合板自由振动分析有限元模型。通过典型算例分析,分别讨论分层类型、位置和数目或深度诸参数对平面编织层合板固有频率的影响。结果表明,对于内埋型分层损伤,表面分层与中间分层对固有频率的影响区别很小;分层深度越深,越靠近固支端,损伤对层合板固有频率的影响越大;纵向椭圆内埋分层对平面编织层合板固有频率的影响比横向椭圆内埋分层要更严重。

Hamilton体系下含弱粘接复合材料层合板的灵敏度分析研究

基于径向基点插值函数(RPIM),在Hamilton体系下研究了含弱粘接复合材料层合板的灵敏度分析问题.利用弹簧层模型和修正H-R(Hellinger-Reissner)变分原理,推导了可用于含弱粘接复合材料层合板响应和灵敏度分析的混合控制方程,给出了基于该混合控制方程进行灵敏度分析的解析法(AM)、半解析法(SA)和有限差分法(FD).该混合控制方程的主要优点是可以在进行灵敏度分析过程中避免卷积运算.另外,利用该混合控制方程进行灵敏度分析不仅能够同时得到响应结果和灵敏度系数,而且还考虑了层合板的层间弱粘接问题.

含孔损伤平面编织层合板固有频率研究

本文对一端固支含圆形孔损伤平面编织层合板的固有动力特性进行了试验研究。基于MSC.Patran建立了含圆形孔和椭圆孔损伤平面编织层合板的有限元模型,研究了圆孔损伤和椭圆孔损伤的损伤尺寸对一端固支纤维双向层合板固有频率的影响规律。试验结果表明,有限元方法得到的含圆孔损伤层合板固有频率与试验值吻合较好;圆形穿孔和长轴平行于试件长度方向椭圆形穿孔损伤对平面编织层合板各阶固有频率的影响规律相同;在椭圆穿孔损伤尺寸小于一定值或偏心率较小时,可用圆孔来估算椭圆形穿孔损伤和结构设计开孔对结构固有频率的影响。为开口复合材料结构件的设计以及含孔损伤复合材料结构件的维修设计提供依据。

胶铆混合连接复合材料层合板结构的弹性分析

基于MSC.Patran/Nastran软件隐式非线性模块,建立复合材料层合板的铆接、胶接及胶铆混合连接三维有限元模型,计算得到不同连接方式下的应力场及位移场,通过对所得数据的对比,分析不同连接方式可能发生的破坏形式及其破坏最有可能出现的位置,得到胶铆混合连接的适用性。

复合材料加筋板的阶梯式挖补修理稳定性分析

复合材料已在飞机结构中得到了广泛应用,其中胶接修补研究是当前复合材料结构修补中急待解决的重要问题之一。主要针对层合板结构胶接修理中的阶梯式挖补进行研究,建立了复合材料加筋板阶梯式挖补修理结构的有限元分析模型,并进行了屈曲数值分析,详细探讨了补片半径、补片阶梯数、筋距对挖补修理结构稳定性的影响规律。

基于逐层/实体元方法的金字塔型点阵夹芯结构静力和自由振动分析

基于逐层/实体元方法(Layerwise/Solid-Element,LW/SE),研究金字塔型点阵夹芯结构在不同边界条件下的静力与自由振动问题。首先,利用逐层理论和三维实体有限元法分别建立面板和芯体的控制方程,然后根据面板和芯体连接区域的位移协调和内力平衡条件,将面板和芯体的控制方程耦合为总体控制方程,得到点阵夹芯结构的平衡方程和自由振动方程。通过与三维弹性解对比,验证逐层/实体元方法在金字塔型点阵夹芯结构静力和自由振动分析问题上的正确性,并研究面板厚度对位移最大值和固有频率的影响规律。

基于疲劳损伤两段论的复合材料刚度降模型研究

本文在疲劳累积损伤模型和刚度降模型的基础上,根据疲劳损伤的两阶段理论,将复合材料的疲劳损伤划分为两个阶段,并用两种不同的函数分段描述疲劳损伤的过程,建立了疲劳损伤演化两阶段模型。利用试验数据,运用多元函数的最小二乘法,得到了模型中的各个参数的拟合值和层合板的S-N曲线。疲劳损伤演化两阶段模型计算数据与试验结果吻合较好。

复合材料层合板阶梯式挖补修理参数分析

基于有限元方法,研究了复合材料层合板阶梯式挖补修理问题。建立了复合材料层合板阶梯式挖补修理结构的三维有限元模型,并计算得到了修理结构胶层剥离应力和剪切应力的分布情况。研究了铺层方向、胶层厚度、搭接长度和高度等修理设计参数对胶层应力分布的影响规律。

基于遗传算法的复合材料层合板修理方案优化

本文基于Matlab遗传算法,研究了复合材料层合板阶梯式挖补修理的参数优化问题。利用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran,建立了层合板阶梯式挖补修理结构的三维有限元分析模型,通过计算得到不同阶梯数和胶层厚度下的强度值与屈曲特征值。通过遗传算法工具箱,将所得数据拟合得到适应度函数,对挖补阶梯数和胶层厚度进行多目标优化,得到最优修理参数集。

有限厚板中并排钉载孔边应力集中分析

基于MSC.Patran和Nastran有限元软件,建立含有两并排钉载孔的有限厚板的三维有限元模型。模拟两块钉孔连接搭接板结构在承受均匀拉载荷时的状态,研究在该状态下板中两并排钉载孔孔边的应力集中情况。通过对沿板厚方向上的应力集中系数的计算,分析两并排钉载孔间的相互干涉作用和板厚对孔边应力集中的影响。研究结果表明:当孔间距与半径比小于2时,应力集中系数明显受到两钉载孔间相互干涉的影响;板中面应力集中系数较大,板表面较小;在一定范围内随板厚的增大,板中面与板表面的应力集中系数的差值变大。

复合材料蜂窝夹芯板斜接式挖补修理的稳定性分析研究

基于有限元方法,研究了复合材料蜂窝夹芯板斜接式挖补修理的稳定性问题。利用商用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran和蜂窝夹芯等效方法,建立了蜂窝夹芯板斜接式挖补修理结构稳定性三维有限元分析模型。并通过大量的数值算例,拟合得到了不同挖补角度以及胶层厚度对蜂窝夹芯板斜接式挖补修理结构屈曲特征值的影响规律。

基于B-样条小波的复合材料层合板灵敏度分析

基于BSWI样条小波有限元方法,将响应和响应的灵敏度系数同时看作状态变量,在Hamilton体系下推导了复合材料层合板响应和响应灵敏度系数的混合控制方程。基于该混合控制方程研究了对称铺层四边固支复合材料层合板的位移响应灵敏度系数在z方向上的分布情况,并将计算结果与有限差分法进行比较。结果表明:材料参数E1,E2和G12对位移响应影响明显,其中以E1对位移响应的影响最大,E2次之。与经验法相比,半解析法计算结果相对误差小于10-4,这说明本文的计算方法是正确的,且降低了计算成本和程序实现难度,提高了计算精度。

双剪多排螺栓连接螺栓孔接触域应力分布研究

基于接触问题的研究方法,利用由MSC.Patran/Nastran软件建立的多排双剪螺栓连接有限元模型,对螺栓-孔接触域上的应力分布进行了研究。研究过程中主要考虑在不同的间隙和接触面粗糙度下,各排螺栓的应力分布变化规律。研究发现间隙和粗糙度对孔受压面上的应力影响较大,但不能破坏各排螺栓孔应力分布规律的相似性。在建模过程中,将螺栓定义为可变性接触体,考虑了螺栓与铝板之间的接触摩擦以及相互间弹性变形,比以往的刚性体螺栓具有更高的准确性和可靠性。

含孔损伤复合材料层合板固有频率研究

建立了含圆形穿孔和方形穿孔损伤复合材料层合板的有限元计算模型。随着开孔损伤尺寸的变化,计算出含圆形穿孔或方形穿孔损伤复合材料层合板的各阶固有频率。拟合出开孔大小和固有频率之间的关系,得到了层合板固有频率随孔的尺寸和形状变化规律。结果表明,随着损伤程度增加,层合板固有频率都将减小;方孔损伤层合板固有频率减小的幅度和速度都比圆孔损伤层合板的大;小尺寸穿孔损伤对层合板固有频率的影响很小。

复合材料层合板振动数值仿真

从理论上讨论了一端固支弹性矩形薄板自由振动频率的求解问题。在MSC.Patran中建立复合材料层合板的有限元分析模型,用MSC.Nastran计算得到自由振动的固有频率和基本振型,结果与试验数据对比,吻合很好,说明采取的数值仿真方法可用于工程设计计算。

Hamilton体系下压电材料层合板特征值灵敏度分析

在Hamilton体系下,基于区间B(B-spline wavelet on the interval)-样条小波有限元法研究压电材料特征值的灵敏度分析问题,推导压电材料特征值响应灵敏度系数的控制方程。利用二分法求得压电材料层合板前4阶特征值对材料密度的灵敏度系数,并与有限差分法所得结果相比较,证明所提方法的可靠性。结果表明,在Hamilton体系下求解特征值的灵敏度系数是可行的。

预应力下金字塔型点阵复合材料结构低速冲击动力学响应研究

建立金字塔型点阵复合材料结构预应力下低速冲击的有限元分析模型。研究了预应力对接触载荷、接触时间、结构变形及能量吸收的影响规律。在进行低速冲击分析之前,利用静力分析结果给结构加上预应变。研究结果表明:预应力对冲击载荷峰值、接触时间及结构总能量吸收率的影响不显著,但是对结构的变形具有明显的影响;当冲击速度一定时,上面板中心点的最大位移随预拉应力的增大而增大,而下面板和芯子的最大变形随预拉应力的增大而减小;预压应力对结构变形的影响与预拉应力的情况相反。

复合材料层合板刚度降理论模型研究

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。