复杂多边形蜂窝柔性蒙皮非线性行为数值分析

对复杂多边形蜂窝柔性蒙皮结构进行数值仿真,研究在拉伸、剪切、扭转以及弯曲载荷下的柔性蜂窝非线性变形行为,并对无橡胶表层、单侧橡胶表层和双侧橡胶表层的变形及强度进行分析。结果表明:无橡胶表层蜂窝可能在较小载荷下产生较大变形;单侧橡胶表层易使结构不对称,可能导致剪切载荷、扭转载荷下的变形不对称;双侧橡胶表层对抑制结构变形有明显作用;加入橡胶表层可能会使原本零泊松比或负泊松比效应的蜂窝柔性蒙皮表现出正泊松比的情况。

面向工程应用的复合材料结构强度校核模块设计与研发

由于具有高比强度和高比模量的显著优势,复合材料结构日益成为大型航空航天装备轻量化设计的首选材料之一。但在设计与分析过程中,复合材料的强度校核会涉及到大量复杂的公式和运算量,严重降低装备结构的设计效率和研发周期。为提高复合材料强度校核的工作效率,基于国产自主CAE平台HAJIF,研发了适用于复杂工程装备的复合材料结构强度校核模块。该模块紧密围绕复合材料结构分析与校核,提供了层合板、夹层板结构的刚度、强度、稳定性分析流程。各个流程与HAJIF平台的前后置有机融合,从而实现有限元模型、分析结果和强度校核结果的一体化显示。以某型无人机复合材料机翼结构为验证对象,分析结果表明,研发的强度校核模块能够满足复合材料强度校核的基本流程和功能,可实现大型复合材料结构的快速强度校核,明显提高了复合材料结构的校核效率。

复杂多边形蜂窝面内等效弹性参数研究

针对一种复杂的多边形蜂窝结构,基于欧拉梁模型,利用虚功原理推导了蜂窝夹芯在小变形条件下的变形计算式,由此得到了蜂窝夹芯面内两个正交方向等效弹性模量和泊松比的解析表达式,并利用数值仿真技术验证理论分析方法的正确性。最后通过该解析式,详细研究了壁板之间夹角和壁板长度对蜂窝刚度的影响。结果表明:蜂窝夹芯的壁板之间的夹角不仅影响着等效弹性模量以及等效泊松比的大小,且影响着等效泊松比的正负;等效弹性模量随着壁板长度的增大而减小。

航空结构仿真与试验应变一致性评估方法

针对航空结构,介绍了一种有限元仿真应变与试验应变的一致性评估方法。首先研究了基于单元形函数的单元任意点仿真应变插值方法以及仿真应变与相应测量应变方向一致性转换方法,其次基于最小二乘原理,对试验应变进行线性化修正,然后分别研究了基于图形分区的应变一致性评估方法以及基于概率统计的应变一致性评估方法。最后针对某大型民机结构进行了分析和试验一致性评估,评估结果可以为模型后续的修正提供支持。

复杂多边形蜂窝结构等效弯曲刚度研究

研究了一种复杂多边形蜂窝结构的等效弯曲刚度。将蜂窝结构简化为正交异性薄板,首先计算薄板在均布弯矩载荷下的变形能,同时利用载荷平衡条件计算蜂窝各胞壁变形能之和,然后利用能量等效原理得到蜂窝结构等效弯曲刚度的解析表达式。蜂窝结构等效弯曲刚度随胞壁夹角及长度的变化非常明显,两正交方向的耦合弯曲刚度会随着胞壁夹角及长度的变化出现反转,等效弯曲刚度的绝对值会随着胞壁高度及厚度的增大而增大。最后利用有限元分析结果反推了蜂窝结构的等效弯曲刚度,验证了理论分析方法的正确性。

机身壁板复杂载荷解耦方法研究

本文介绍了一种可以将复杂载荷解耦为试验平台可以施加的基准载荷的方法。首先,在机身壁板考核区构造一个原始应变分量与组合载荷应变分量的残差函数,该函数以各基准载荷施加比例为自变量,通过使该函数值的平方和最小,将问题转化为无约束非线性规划问题,然后用fminunc函数求解该问题,最后得到各基准载荷的施加比例,从而可以得到解耦的试验载荷。

一种机身壁板复合加载试验的载荷计算方案

机身壁板的受力状态十分复杂,而试验平台只能施加拉伸/压缩载荷、剪切载荷、气密载荷等基准载荷及其组合形式。本文介绍了一种机身壁板复合加载试验的载荷计算方案,首先计算出各基准载荷的施加比例,按照该比例将各基准载荷组合起来,然后进行组合载荷作用下的有限元分析,并与原始有限元分析结果进行对比,最终得到长桁的轴力基本一致,且各应变分量的误差都在5%以内,表明该载荷计算方案可以用来确定机身壁板复合加载试验的载荷。

复杂多边形蜂窝夹芯面内等效剪切模量研究

针对一种复杂的多边形蜂窝夹芯,将蜂窝胞壁简化为梁,主要考虑弯矩对胞壁变形的影响,利用虚功原理计算蜂窝胞元在剪切载荷作用下的变形,推导出蜂窝夹芯面内等效剪切模量的解析表达式。可知:在胞元尺寸不变的条件下,蜂窝夹芯面内等效剪切模量随胞元长斜边与垂直方向夹角的增大而增大,随胞元短斜边与垂直方向夹角的增大而减小。最后建立蜂窝胞元的有限元模型进行数值分析,数值分析结果与理论分析结果误差在2%以内,证明了理论分析方法的正确性。

特殊内凹形蜂窝结构等效扭转刚度研究

为了进一步研究内凹形蜂窝结构中的等效扭转刚度,针对一种特殊的内凹形蜂窝结构,将其简化为正交异性薄板,分别计算均布扭矩作用下等效薄板的变形能及蜂窝胞元各胞壁变形能之和:利用能量等效原理推导该蜂窝结构等效扭转刚度的理论公式。结果显示,胞壁夹角变化对蜂窝结构扭转刚度的影响明显,且随着胞壁厚度的增大,蜂窝结构扭转刚度有明显提升,最后建立蜂窝结构的有限元模型进行数值分析,并利用数值结果反推了蜂窝结构的扭转刚度,其与理论结果的误差在3%左右,验证了理论分析方法的正确性。

特殊多边形蜂窝结构有效传热系数研究

针对一种特殊的多边形蜂窝结构,利用蜂窝胞体各表面之间的角系数和杰勃哈特吸收因子计算蜂窝内部辐射引起的有效传热系数,考虑蜂窝结构本身热传导和辐射传热的耦合作用,得到蜂窝结构的耦合传热系数。计算结果表明,随着温度升高,蜂窝结构内部的辐射传热起主导作用,特别是蜂窝胞体内部上下面通过侧壁的间接辐射传热占据主导地位。为了验证方法正确性,建立了蜂窝胞体的细节有限元模型,数值对比分析表明了该方法的正确性。

机翼典型开口加筋壁板承载能力研究

针对机翼典型开口加筋壁板,利用有限元弧长法对典型机翼载荷下的开口加筋壁板进行后屈曲分析,同时结合试验应变数据,进行开口壁板的承载能力和破坏模式研究。结果表明:开口边缘壁板应变水平很高;与长桁相比,壁板应变水平较高且分布均匀;从开口两侧至梁附近,长桁承受的载荷逐渐增大;开口两侧长桁最先发生屈曲,然后向外侧长桁扩展,直至壁板破坏。最后将分析与试验结果进行对比,分析得到的破坏载荷与试验破坏载荷误差在5.1%,分析得到的应变曲线与试验值基本吻合,验证了有限元分析方法的正确性。

复合式柔性蒙皮的弹性表皮和蜂窝夹芯连接方案设计

面向变体飞行器的复合式柔性蒙皮,针对其弹性表皮和蜂窝夹芯连接强度较低的问题,提出了“二步胶接”的连接设计方案,其首先将氨纶纤维布与蜂窝通过环氧树脂结构胶进行胶接,然后将硅橡胶板与氨纶纤维布通过硅橡胶粘接剂进行胶接,并给出了工艺制备方法。最后,分别制备了“二步胶接”实验件和“直接胶接”实验件,并开展了连结强度实验和对比分析,结果表明,“二步胶接”实验件的连接强度是“直接胶接”实验件的5倍,此方案可以为柔性蒙皮的连接设计提供参考。

零泊松比蜂窝结构一维变形行为

为满足柔性蒙皮的变形需求,针对一种适用于柔性蒙皮的零泊松比蜂窝结构开展了一维变形行为的研究。首先通过考虑蜂窝胞壁轴向变形及弯曲变形,基于能量法建立了零泊松比蜂窝结构的等效弹性模量理论模型,并分别应用数值分析和试验方法验证了理论模型的正确性。然后分别以铝合金和钢材为基体材料,利用数值分析方法进一步分析了零泊松比蜂窝结构的非线性变形行为,并获得了蜂窝结构的变形量与残余应变的关系。结果表明:蜂窝变形过程中的力学行为与结构的几何参数以及母材的选择有关。因此,可以通过改变蜂窝结构的几何参数,实现蜂窝结构驱动力及残余应变的调节;同时,在选择基体材料时,为兼顾“面内”刚度和“面外”承载能力,不仅应该选用杨氏模量小的材料,减少其驱动力,还应该选用弹性段大的材料,减小残余变形。

浅谈民机结构静强度数值仿真技术

数值仿真技术在民机研制中扮演越来越重要角色,已成为飞机数字化设计和试验中不可缺少的手段。飞机结构数值仿真关键是如何准确地建立有限元分析模型。鉴于此,根据国内外发展情况,总结和分析了飞机结构应力有限元建模、子模型、金属和复合材料薄壁结构屈曲建模及分析方法,以及工程中模型校核和验证方法,对于每种情况,阐述了其原理和方法,给出了典型应用。最后提出了数值仿真分析技术未来需要解决的问题,包括飞机结构有限元建模规范,大型结构非线性数值仿真等。

复合材料结构胶-螺连接区域内力分布计算及与试验对比研究

针对复合材料结构混合连接区域内力分布计算问题,提出了基于胶-螺连接典型单元载荷变形曲线内力分布计算方法。首先通过数值仿真方法获得胶-螺连接典型单元载荷变形曲线,然后采用该曲线并借助有限元方法分析了双列五钉单搭接试验件连接区域应变分布,同试验结果进行了比较,结果显示计算结果与试验结果一致性良好,说明了分析方法具有良好的实用性。该方法为工程人员分析类似的复合材料层合板胶-螺连接区域应力和应变提供了参考。

子模型技术在飞机部件结构虚拟试验中的应用

结构破坏预估一直是工程结构设计中的关键问题。在某型飞机翼身组合体整体模型虚拟试验结果基础上,针对受载严重的机翼结构和起落架连接区结构,建立了非线性分析子模型,在对其有效性进行验证后,采用子模型技术分别对机翼极限承载能力和起落架连接区细节应力进行了虚拟试验,预估了结构可能的破坏部位及其破坏载荷,起到了辅助与指导物理试验的作用。子模型技术能在兼顾计算效率和分析精度的基础上,灵活地对复杂结构中的局部区域进行深入分析,必将在飞机型号研制中发挥更加重要的作用。

基于HAJIF的前后置处理模块的设计与实现

针对国产有限元软件HAJIF对大规模可视化的前后置处理功能的迫切需求,设计并实现了具有高度开放性的前后置处理模块HAJIF_PrePost。在软件框架设计方面,基于面向对象的思想,引入层次化、组件式的体系结构,该结构具有高效计算和高效通信特性,满足大规模数据处理要求;在前处理功能设计方面,引入准C++标准Boost库,解决了模型数据的持久化与内存管理问题,采用节点相关面法以及OpenGL深度缓存机制,提升了模型显示效率;在后处理功能设计方面,设计实现了彩色云图的绘制,变形和动画的生成方法,并且实现了后置动态查询功能。实际应用表明:基于面向对象方法实现的HAJIF_PrePost前后置处理模块具有很好的实用性、用户体验以及可扩展性。

民机中央翼加筋壁板承载能力的非线性有限元分析

应用非线性有限元分析技术,采用MSC.Patran为前后置处理器进行建模,以具有较强非线性功能的Marc软件为求解器,细致研究了某民机中央翼加筋板结构在受力状态下的非线性变形、后屈曲破坏过程、最终失稳破坏形式及载荷,与试验结果进行了比较,破坏过程及破坏形式与试验相吻合,计算的破坏载荷与试验的破坏载荷误差在5%以内,显示文中方法可以满足工程设计和分析要求。

大规模优化设计在HAJIF系统中的实现

针对分析模型精细化带来的大规模变量结构优化设计问题,深入系统地研究了大规模结构优化设计求解理论,并在HAJIF(航空结构强度分析与优化设计软件系统)中予以实现。HAJIF是一个十分有用的分析及优化软件,然而随着工程问题的日益庞大,该系统表现出设计规模受限的技术瓶颈,从而限制了它的广泛应用。本文通过一系列的理论改进突破了HAJIF系统中的一些关键问题,使得当前系统可处理设计变量达到10万量级。这些方法包括约束删除、约束区域化、变量处理、敏度分析等。

基于增量 迭代算法的SABRE系统非线性分析流程设计

随着大型复杂装备结构分析的非线性问题日益突出,基于线性理论的有限元分析方法已难以满足复杂工程结构设计与研制需求,必须借助非线性有限元方法来获得结构的全状态力学性能。鉴于工程结构对非线性有限元分析的迫切需求,在新架构下的自主CAE软件SABRE系统中,基于增量迭代算法研发了非线性有限元计算流程和相应的功能模块,初步实现了结构非线性分析功能。数值算例表明,研发的分析流程具有较高的精度,可进一步基于该流程进行功能的扩展和性能的提升。