复合材料壳体挂机飞行一体化结构优化设计分析

针对固体火箭发动机复合材料壳体挂机飞行一体化结构优化设计问题,提出了基于拓扑优化和多参数目标驱动优化相结合的两步设计法。首先针对挂机飞行金属结构进行拓扑优化,优化后结构质量由8.6 kg降低至6.0 kg,实现了结构轻量化设计目的;然后针对复合材料挂机飞行一体化结构进行多参数目标驱动优化并进行参数敏感性分析,结构整体质量由6.0 kg进一步降低至5.94 kg。参数敏感性分析结果表明,挂飞连接支座上肢板厚度为关键尺寸,而挂飞结构外缠绕层宽度对整体结构强度贡献较小。静力载荷试验结果表明,壳体及挂机结构应变在10~140 kN前应变与载荷基本呈线性增长,当超过140 kN后挂机结构外部环向纤维开始断裂,挂机结构出现破坏,载荷设计值与实验值相对误差为15.6%,这是由于载荷试验采用单一吊耳加载而导致结构受力过于集中而相对容易发生破坏。

固体火箭发动机复合材料壳体铝合金接头失效有限元分析

为研究复合材料壳体卡环连接结构中铝合金接头断裂失效规律,建立了壳体后封头部位的有限元模型,并以某固体发动机壳体为对象进行水压爆破实验。通过三种铝合金接头应力、应变的仿真与实验分析,对比了等效应力准则与最大主应力准则的适用性;通过分析处理以往断裂接头及文中断裂接头的仿真数据,研究了接头发生断裂时最大主应力与材料的延伸率、屈服极限、抗拉极限之间的关系;结合得出的经验公式与有限元仿真,分析了不同铝合金材料、不同尺寸的卡环连接结构断裂时的内压,并与实验结果进行对比。结果表明,数值计算结果与水压实验测量数据的误差在4.9%之内,验证了有限元模型的正确性;相比于等效应力准则,最大主应力准则在判断接头卡环槽的薄弱位置时更加准确,并提炼出接头卡环槽处发生断裂时最大主应力的断裂系数经验公式;通过经验公式并结合有限元仿真得出的铝合金接头断裂时的壳体内压与实验爆破内压的误差分别为4.7%和3.6%,满足工程应用的需要。

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。

三维机织预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

本工作设计并用炭纤维织造了两种不同结构的三维预制体,即三维角联锁结构(JLS)和三向正交结构(SZJ),采用化学气相渗透(CVI)致密和液相树脂浸渍/炭化的增密工艺,制备出C/C复合材料,测试并对比分析了拉伸性能和冲剪性能。结果表明:预制体结构对C/C复合材料的力学性能有很大影响,同时决定拉伸断裂破坏模式。三向正交结构C/C复合材料的力学性能好于三维角联锁结构的C/C复合材料。

受轴压复合材料壳体与前裙连接结构的预应力有限元分析

针对复合材料壳体与前裙连接结构预应力的有限元分析,在复合材料壳体受轴压影响时,通过建立实体模型并划分网格得到有限元计算模型,比较三种不同过配结构的预应力强度比,最终得到结论:锥形复合材料壳体前裙连接部分在选择仅有根部存在过配应力时,其预应力强度比最低,从而连接结构最为可靠。

复合材料壳体固体火箭发动机温度载荷下力学响应分析

基于非线性有限元数值仿真分析方法,使用有限元计算软件ABAQUS,分别建立金属壳体与复合材料壳体两组发动机仿真模型,分析复合材料壳体固体发动机的结构完整性,并研究复合材料壳体的各项参数对于发动机装药和壳体的应力场的影响。分析结果表明:在温度载荷下,选用复合材料壳体的端燃装药固体发动机比选用金属材料壳体的发动机具有更好的结构完整性。随着复合材料壳体厚度的增大,装药的应力、应变值均增大,壳体的应力逐渐减小;随着复合材料壳体弹性模量增大或泊松比减小,装药的应力、应变逐渐减小,而壳体的应力、应变逐渐增大。

大型纤维缠绕复合材料壳体的结构─工艺设计问题

综合分析比较了同内外大型纤维缠绕复合材料壳体研制经验，对其发展趋势及结构─工艺设计等主要问题，以及对涉及纤维、树脂基体、复合裙、壳体内外绝热层等的材料、部件、检验和具体工艺问题作了分析和讨论，提出了建议和看法。

胶粘剂对固体发动机复合材料壳体多材料界面处粘接强度的影响

针对固体火箭发动机复合材料壳体多材料界面可能产生脱粘的问题,对钛合金/碳纤维复合材料(CFRP)层/橡胶绝热层/胶粘剂的界面粘接性能进行研究。对比不同胶粘剂粘接的钛合金与橡胶(丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM))、CFRP与橡胶、CFRP与钛合金层间剪切强度试验测试结果及破坏形式,并结合吸附理论、橡胶与胶粘剂分子结构、反应机理分析测试结果产生差异的原因。结果表明,采用730胶粘接的NBR/钛合金、NBR/CFRP层间强度明显高于Chemlok 252胶粘接的EPDM/钛合金、EPDM/CFRP层间强度,分别提高了224.24%、102.91%。对于CFRP/钛合金界面,Chemlok 252胶粘接后层间强度反而比730胶粘接的层间强度提高了92.34%,这是由于730胶溶剂挥发后为弹性体,层间剪切强度主要是弹性体本身强度,而Chemlok 252挥发后为薄膜,层间强度主要由环氧树脂提供。

某碳纤维复合材料发动机壳体设计研制

介绍了某直径400 mm碳纤维缠绕复合材料发动机壳体的设计研制。根据该发动机的结构,以石棉/丁腈橡胶为壳体绝热层材料,用网格法建立了封头和筒段等结构层的模型,并给出了发动机的纤维缠绕壳体壁厚和层数设计结果,以及芯模制作、壳体绝热层成型和壳体裙装配等主要成型工艺。工作压力、气密和爆破等水压试验结果表明,所设计的碳复合材料发动机壳体满足性能要求。

复合材料壳体与喷管的卡环连接结构研究

较详细地对复合材料壳体与喷管卡环连接结构进行了有限元应力、应变分析；对卡环、接头及倒锥等多体接触问题进行了研究；对“Ｉ”型及“Ｌ”型卡环结构分别进行了计算和比较，并给出了计算结果及结果分析。

复合材料壳体轴压稳定性分析

利用有限元结构分析法,引入线性屈曲模态作为结构的初始几何缺陷,对复合材料壳体的轴压稳定性进行了非线性分析。将计算结果与线性屈曲分析及实验结果进行了对比,结果表明,由于初始缺陷等非线性因素的影响,结构的线性临界载荷高于非线性临界载荷,进行非线性分析是必要的。文中对壳体承受轴压能力进行了初步估计,可为复合材料壳体的稳定性工程设计提供参考。

固体火箭发动机壳体复合材料发展研究

概述了国内外固体火箭发动机用先进复合材料技术研究、开发和应用现状及特点,总结了用于固体火箭发动机壳体的先进复合材料是发展先进武器装备的物质基础,同时,高性能导弹武器系统的发展和客观需求又是促进先进复合材料发展的动力。

利用八节点超参元求解变厚度复合材料壳体的结构性能

本文在复合材料壳体厚度数据确定的情况下,通过有限元方法,利用八节点超参元进行分析和计算。

一种复合材料壳体可靠性优化设计方法的实践

将Neumann级数展开式用于Monte Carlo随机有限元法,对纤维缠绕壳体的结构可靠性进行了分析,并利用结构可靠性分析的Monte Carlo直接比较方法和复合材料力学的Tsai Hill失效判据给出了该结构的可靠性算式。在Monte Carlo抽样中列入了β球法加以改进,建立了此类结构的可靠性优化设计迭代式。算例证明,该可靠性优化设计方法可大大提高计算效率。

复合材料层合壳体的弹性理论解

本文研究了正交铺层并可具有各向同性层的纤维增强圆柱壳体,两端为简支,承受轴对称分布载荷的层问应力问题。纤维单层可简化为正交向异性的或横观各向同性的材料,直接应用三维弹性理论求得精确解。实例计算分析了在均布压力作用下的双层与三层叠层圆柱壳体。所得结果不但可作为评价其它近似方法的参考,而且在层合结构的设计中也有较大的实用价值。

纤维增强复合材料防弹头盔壳体的研究进展

面对战场上日益升级的防护需求,防弹头盔盔壳不断向轻量化高防护的方向发展。本文针对目前国内外纤维增强复合材料防弹头盔盔壳的相关研究,综述了其材料与防护机理的研究进展,分析并总结了其设计方案与成型工艺、评价标准与指标以及目前面临的难点问题等,并对纤维增强复合材料防弹头盔的发展趋势进行了展望。

复合材料壳体气动加热温度场研究

针对固体火箭发动机炭纤维/环氧树脂复合材料壳体及其防热结构温度场问题,进行了风洞试验模型设计,开展了某弹道下气动热环境试验,获取温度分布规律。采用一维瞬态传热理论数值模拟方法,对比计算了试验工况,所得到的温度场与试验结果吻合较好,可有效模拟该类问题,为壳体防热结构设计提供了参考。同时,分析了热流密度、热辐射、防热层结构设计、防热材料热物理性能是影响温度场计算的几项主要因素,其中,热流密度和热辐射是影响计算的输入参数,防热材料热物理性能及结构是影响温度场分布的设计参数。

基于ANSYS ACP模块的复合材料耐压壳体设计

对复合材料进行设计用于结构承载,是ANSYS ACP模块的主要应用领域。碳纤维复合材料具有轻质高强等优点。利用ANSYS ACP模块进行碳纤维复合材料耐压壳体设计,有利于充分发挥碳纤维复合材料的优势,提高复合材料耐压壳体的稳定性及承载能力。本文通过圆筒压缩实验,验证ANSYS ACP模块用于复合材料耐压结构设计的可行性,进一步利用ANSYS ACP模块设计1000 m级复合材料耐压壳体,并进行爆破实验,结果表明复合材料耐压壳体力学性能与设计值有很好的一致性。

复合材料格栅结构稳定性分析

推导了复合材料层合壳单元和层合梁单元的切线刚度阵,并给出用于复合材料格栅结构分析的梁壳刚度阵,建立了相应的复合材料格栅壳体结构有限元模型,并对其特征值稳定性的计算进行了研究。考虑了单元剖分大小对结构屈曲临界力和模态波形图的影响,并结合实际情况分析了边界条件变化对结构屈曲稳定性的影响,为工程中复合材料格栅结构的设计提供了有益结论。

三维机织复合材料力学性能研究进展

三维机织复合材料具有结构可设计性强、复杂构件整体近净成型、冲击损伤容限高等优点,成为航空航天领域新材料研制关注的重点。近年来,三维机织复合材料的结构设计、细观建模、性能分析等得到了快速的发展,并取得了实质性成果。多轴向机织结构的开发,精细化建模研究,自动化连续生产是三维机织复合材料的发展趋势。本文介绍了典型的三维机织预制体的结构特点,对比分析了不同预制体结构的三维机织复合材料的准静态力学性能,回顾了三维机织复合材料的细观结构建模、理论分析和数值模拟等方面的研究进展,列举了三维机织复合材料在航空航天领域的典型应用,为三维机织复合材料应用研究提供参考。