光滑接触的双层复合圆筒中的周向导波

研究层间光滑接触条件下,双层复合圆筒中周向导波的传播。通过对双层复合圆筒周向导波的频散现象的研究,以及与同种材料的双层、单层圆筒周向导波特性的比较,发现周向导波在双层复合圆筒中传播时,会发生明显的频散现象和模态干涉现象,降低了材料的无量纲频率,并且其第一阶模态,在高频时接近于无频散Rayleigh面波。在其高阶模态上,层间效应被弱化,因此,应将层间界面裂纹无损检测的频率激发范围,集中于低阶模态频率上。研究发现,第二阶模态具有在层间界面上集中能量的特点,因此,可用于层间界面裂纹的周向导波无损检测技术中。

检测双层固接复合圆筒界面特性的周向导波

通过对层间界面固接的双层复合圆筒中周向导波频散现象的研究,以及与单层筒和层间界面光滑接触的双层复合圆筒频散曲线的比较,发现周向导波在双层复合圆筒中传播时,会发生明显的频散现象,其第一阶模态,在高频时接近于无频散Rayleigh面波。通过对比研究发现,第二阶模态具有在层间界面附近集中能量的特征,可用于层间界面缺陷的周向导波无损检测技术中。该方法可以用来研究确定激励频率的合理范围。

复合圆筒壁非稳态导热类问题的近似解法

建立了复合圆筒壁导热类问题的数学模型 ,采用Laplace变换和Stehfest数值反演技术对拉氏变换进行多次迭代反演 ,求得温度分布的近似解。室内复合圆筒壁的非稳态测温装置的测试结果验证了该解法的精度高 ,适用于不同的初边值条件或含内热源的导热问题 。

破片侵彻含内衬碳纤维复合材料圆筒损伤机理

为研究含内衬碳纤维复合材料圆筒在破片侵彻下的损伤机理,基于LS-DYNA有限元仿真软件,采用Chang-Chang损伤准则和Cohesive界面单元,建立了考虑分层损伤的含内衬碳纤维复合材料圆筒在破片侵彻下的数值仿真模型。通过仿真计算破片对碳纤维复合材料圆筒的动态侵彻过程,得到了碳纤维层和金属内衬层的应力云图和损伤结果,研究了含内衬复合材料圆筒在破片侵彻作用下的损伤机理、吸能特性和破片初始速度对复合材料圆筒损伤模式的影响。研究结果表明:含内衬复合材料圆筒的损伤状态包括纤维断裂、层间分层、内衬凹陷、内衬破孔和复合材料层与内衬层分离。当破片速度为300 mm/s时,复合材料层的层间分层损伤程度处于较低状态,内衬层凹陷程度最大并形成破孔,复合材料层和内衬层的分离程度最大,内衬层的吸能比达到最大;当破片速度小于300 mm/s时,破片未完全穿透圆筒,复合材料层和内衬层的损伤程度较低,复合材料吸能比大于内衬层吸能比;当破片速度大于300 mm/s时,复合材料层的损伤模式为剪切冲塞,层间分层面积逐渐增大,内衬层凹陷程度逐渐降低,分离程度逐渐降低,内衬层吸能比降低并稳定在0.53左右。

复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤研究

基于能量耗散法,推导出了复合材料厚壁圆筒的疲劳损伤和疲劳寿命函数;在此基础上,采用有限元软件ABAQUS建立复合材料圆筒模型,进行了模拟周期内压载荷作用下的疲劳仿真计算,得到了随着循环数的增加,疲劳损伤变量不断增大和材料性能不断退化的损伤规律。以同样的方法和载荷边界条件计算了全金属圆筒疲劳损伤的起始和演化。对比结果表明:相同循环次数作用下,后者的裂纹扩展长度和张开位移更大;随着循环次数的增加,后者的疲劳破坏比前者更剧烈,更难预测。

缠绕成型复合材料圆筒损伤有限元分析

缠绕成型复合材料圆筒在航空、航天和汽车等领域得到广泛应用。然而,在使用过程中,它们可能会受到各种外部损伤的影响,如冲击、磨损和疲劳等。为了确保圆筒的结构完整性和安全性,进行损伤分析是至关重要的。本研究基于有限元分析方法,对缠绕成型复合材料圆筒的损伤进行了研究。首先,我们对圆筒的几何特征进行建模,包括半径、长度和壁厚等参数。然后,我们考虑了复合材料的特性,如纤维和基体的性质,以及它们之间的界面效应。接下来,我们引入了损伤模型,用于描述圆筒在不同加载条件下的损伤行为。

复合材料圆筒中的应力波和破坏

当移动压力的速度接近一临界值时,应力波响应能够导致复合圆筒中的压力前缘位置瞬时产生很高的应变幅值和频率。作用时间很短的高强度应力波不会立即引起结构的失效,但是它能够加快复合圆筒中微缺陷的扩展,并缩短结构的疲劳寿命。对于结构各向异性、多重材料和以减重为目的设计的复合材料圆筒,共振引起的破坏尤其致命,因为多重材料层合结构界面处的剪切和拉伸强度较低,高温下材料属性下降,且加载速率对复合材料属性具有更大影响。所做的动态分析极大地克服了以往对于复合身管和管道系统设计、尤其减重设计时所作静态分析中的缺点,更符合现实应用场景。

多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力算法及水压试验

针对含薄壁钢内衬碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力计算问题,基于正交各向异性材料的厚壁圆筒理论和弹性叠加理论,提出了考虑卸去芯模影响的多角度交替缠绕下CFRP各层和钢内衬剩余应力的逐层叠加算法,研究了恒缠绕张力下,芯模厚度和螺旋层缠绕角对CFRP各层和钢内衬剩余应力的影响。计算表明:芯模厚度越大则CFRP层剩余应力越低,但芯模厚度过大将减弱缠绕张力对钢内衬的强化效应;螺旋层缠绕角约65°时,环向层剩余应力出现极小值,螺旋层剩余应力和内衬剩余应力均出现极大值。针对缠绕张力对钢内衬的强化效应,通过水压试验加载过程中钢内衬声发射特征与复合圆筒外壁应变测试,测得的钢内衬屈服载荷与理论预测值一致,基本证实了算法的有效性。为提高CFRP层缠绕质量,基于等剩余应力假设,提出了多角度交替缠绕张力制度优化设计思路,适用于内压管的张力制度优化。

复合材料厚壁圆筒的损伤问题

基于连续介质损伤力学理论,引入表征材料内部微细缺陷的损伤变量,导出了三维复合材料厚壁圆筒的损伤模型,预测该结构内各处的损伤过程;针对不同损伤模式,推导出包含不同结合力和损伤变量的损伤扩展准则;利用三维有限元分析软件模拟计算出结构损伤破坏的全过程,分析了复合材料圆筒的损伤模式与破坏机理,以及能量变化关系。

连续损伤力学在复合材料厚壁圆筒渐进破坏分析中的应用

为研究复合材料枪管破坏机理,基于连续损伤力学理论,该文采用以能量为基准的刚度退化方法预测了钢-碳纤维/聚酰亚胺复合材料厚壁圆筒的渐进破坏行为。模型考虑了碳纤维/聚酰亚胺复合材料的三种破坏模式:纤维断裂、基体损伤和层间剪切失效。在渐进破坏分析中,采用了包括多帧重启动分析和弧长法的三维有限元技术。计算结果表明:基体首先破坏;随后纤维开始断裂,引起整体结构屈服破坏;这个过程中没有层间剪切失效和内衬单元破坏;厚壁圆筒整体的强度主要受纤维强度的影响。

圆筒型陶瓷钛合金芳纶三单元层复合靶板结构抗弹性能数值模拟及其内在机理

针对53式7.62 mm口径穿甲燃烧弹对圆筒型陶瓷-钛合金-芳纶三单元层复合靶板结构的侵彻过程,本文开展了抗弹性能数值模拟研究.模拟结果表明,弹体垂直入射将造成陶瓷块开裂破碎,最终撞击在钛合金单元层上形成凹坑,复合靶板穿深与试验所测结果吻合良好,相对误差仅为9.4%;陶瓷、钛合金、芳纶三个单元层消耗的能量所占百分比分别为83.77%,13.77%,2.46%.在此基础上,通过设置0°~70°系列不同初始时刻入射姿态角θ0,发现弹体侵彻过程中陶瓷单元层耗散的能量占复合靶板耗散总能的比值始终最大.进一步分析陶瓷单元层可知,随着θ0的增大,陶瓷单元层受力峰值总体呈减小的趋势.且入射姿态角不同,弹靶作用模式也存在差异.对陶瓷单元层进行耗能分析,可知其与质量损失变化大体一致.但初始时刻入射姿态角为30°时,由于弹靶作用过程以弹身接触靶板为主,靶板质量损伤大但能量获取相对较少.

复合材料圆筒结构脱层损伤识别研究

针对复合材料圆筒结构,讨论了基于模态柔度曲率矩阵的无损检测方法。通过模态分析获得脱层复合材料圆筒的各阶固有频率及节点振型,计算得到轴向和周向柔度曲率矩阵来判断损伤。研究表明:轴向和周向柔度曲率矩阵两种方法均可达到精确识别脱层位置及大小的效果,且越靠近外筒壁,柔度曲率矩阵图突变越大,越易检测。相对而言,轴向柔度曲率Fc在脱层位置突变远大于周向柔度曲率Fd,更易判断损伤。但当损伤发生在沿轴线固定端边界时,轴向柔度曲率Fc本身就有较小突变,应用周向柔度曲率Fd识别防止误判。

双层复合材料爆炸圆筒内爆载荷作用变形特征数值模拟

为研究内爆载荷作用下双层复合材料爆炸圆筒的变形与内外层相互作用的规律,将多层缠绕纤维复合材料等效成一层材料,并将内爆载荷通过载荷曲线的形式施加,提出一个简化的数值计算模型。在模型校核的基础上,利用LS-DYNA软件对同一双层圆筒、不同药量下以及不同内外层厚度比例圆筒在内爆载荷下的变形特征进行分析。结果表明:双层爆炸圆筒壳体在小药量炸药爆炸作用下以弹性呼吸振动为主,随药量增加,金属内衬与外层复合材料会发生分离,外层复合材料在振动过程中会强烈压缩金属内衬,内衬会发生不规则变形,在大药量条件下内衬会被压溃而失去承载能力;相同壳体面密度条件下,过薄的金属内衬在外层复合材料强作用下会过早被压溃,从而失去承载能力,过厚的金属会使得壳体的环向形变增大。研究结果可为双层复合材料爆炸圆筒的设计提供数据参考。

多角度纤维缠绕复合材料圆筒张力设计

缠绕张力是纤维缠绕复合材料圆筒设计的一项重要研究内容,它对纤维缠绕复合材料圆筒的质量起着关键作用。基于三维各向异性弹性力学,提出了一种针对多层复合材料纤维增强树脂基圆筒的张力设计方法。模型中将张力诱导残余应力作为复合材料缠绕层初始应力,基于Tsai-Wu失效准则获得内压作用下给定铺层顺序的使得爆破压强最大的复合材料圆筒最佳张力制度。研究结果表明:对于单层螺旋缠绕,当缠绕角一定的情况下,随着张力的增加,圆筒爆破内压先增加后减小,不同缠绕角下对应的最佳张力值不同,随着缠绕角从0°~90°的增加,最佳张力值先减小后增加;对于多层螺旋缠绕,铺层模式确定的情况,随着缠绕张力的增加,爆破压强先增加后减小。因此,对于给定铺层模式,需要合理确定其缠绕张力,以保证最大限度地发挥纤维的承载能力。

三维四向整体编织复合材料圆筒壳体临界外压计算及试验验证

提出了三维四向整体编织复合材料壳体临界外压计算方法。给出了两个三维四向整体编织碳 /环氧复合材料圆筒壳体临界外压的试验结果。计算结果与试验结果相符较好 ,提出的计算方法得到试验验证 ,可供设计计算使用。

复合材料圆筒件静态吸能特性研究

本文通过一系列圆筒件的静态吸能试验研究了复合材料圆筒件静态吸能的特性。表明材料的吸能性能不仅同材料性能关系密切,而且也受材料纤维方式和工艺方法的影响。

十字圆筒复合柱制造关键技术

在钢结构建筑中,十字圆筒复合柱由于在截面特性方面优于十字箱型柱等巨型组合结构柱,得到了越来越多的设计应用。以重庆瑞安大厦工程为例,讲述了十字圆筒复合柱制造的两大关键技术,即厚板高强钢卷圆的圆度控制技术及内部组件焊接变形控制技术,供相关工程参考与借鉴。

复合材料身管的疲劳裂纹扩展分析

为研究复合材料身管的疲劳裂纹扩展问题,基于线弹性破坏力学的扩展有限元法,采用非线性有限元软件ABAQUS,建立了含微缺陷复合材料身管的简化模型,对内压冲击载荷循环作用下的疲劳裂纹扩展进行了仿真计算。结果表明:随着循环数的增加,疲劳损伤能耗不断增大,材料性能不断退化;同等载荷循环和边界条件作用下,不同位置的起始裂纹均沿着轴向和径向扩展,沿径向的扩展速度大于沿轴向的扩展速度,起始裂纹位于两端要比位于中间对复合材料层造成的破坏严重,后者的承载能力更强。

薄壁钢内衬CF圆筒承压性能仿真及水压爆破试验

针对含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒典型结构,建立三维有限元模型,采用温度参数法逐层计算内衬剩余应力,并预测其承压性能;基于水压爆破试验,研究了多缠绕角下缠绕张力、不同碳纤维等级对钢内衬及复合材料圆筒承压能力的影响,并结合钢内衬的声发射振铃计数特征判别载荷屈服点。试验结果表明,含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒的最佳缠绕张力为75 N左右,T700,T300两种强度碳纤维复合圆管的钢内衬最大屈服载荷基本相同。