复合材料格栅加筋结构稳健性优化设计

先进复合材料格栅加筋结构有较高的结构效率和较好的设计性能,在航空航天领域有着广泛的应用。本文采用等效平铺刚度模型对格栅结构进行了力学分析,指出其屈曲载荷的求解方法,并用区间方法对工程中的非概率不确定因素进行定量,用遗传算法对格栅结构进行了可行稳健性优化设计。将稳健性优化的结果与传统优化的结果进行了比较,结果表明,稳健性优化得到的结构质量要高于传统方法,但结构的可靠性和稳健性显著提高。

复合材料格栅结构筋条纤维形态与拉伸性能

复合材料格栅结构已大量应用于航空航天飞行器中,探究其力学性能具有重要的工程研究价值。为提高复合材料格栅结构的承载效率,提出一种基于“断筋”处理的纤维形态改善方法,通过有限元分析与试验验证的手段,研究了不同断筋比例对复合材料格栅结构节点处纤维形态和拉伸性能的影响。利用建立的有限元模型分析了断筋处理的复合材料格栅结构拉伸失效机理,仿真与试验结果误差均小于10%。结果表明:在成型过程中适当进行断筋处理,能够显著降低节点处纤维弯曲角度,提高拉伸性能。相较于不进行断筋处理,断筋比例为30%时,拉伸极限载荷提高了24.4%。

先进复合材料格栅加筋板的总体稳定性分析

通过建立复合材料格栅结构单元的基本力学假设和分析模型,推导了一种新的等效刚度计算方法,用于分析复合材料格栅加筋板的总体稳定性。该方法充分考虑了筋条和面板的相互作用和中面偏移效应,并具有通用性。结合Rayleigh-Ritz能量近似法,推导出了求解加筋板总体屈曲载荷的通用特征方程;分析了多种算例,并与修正平铺法进行了比较,结果吻合得很好。

新的复合材料格栅加筋板的平铺等效刚度法

针对薄壁复合材料格栅加筋结构的受力特点,在改进原有力学假设的基础之上,推导了一种新的平铺等效刚度计算方法,它充分考虑了筋条和面板之间的相互作用．通过格栅单元结构布局形式的参数化表示,建立了通用的力学分析模型;该模型可用于分析各种结构布局形式和面板铺层方式下的结构总体屈曲问题,故对于航空航天结构设计非常有用．结合Rayleigh-Ritz方法,推导出了求解格栅加筋板屈曲载荷的通用线性特征方程;最后,分析了多种类型格栅结构的算例,并与现有的各种方法进行了比较,结果更为精确,因而对格栅加筋结构的优化设计具有很好的应用价值．

基于高阶理论的加筋复合材料夹芯结构屈曲有限元模型

加筋复合材料夹芯结构由于面板与夹芯层的力学性能差异较大,层间剪切变形明显,层间剪切应力对结构的屈曲特性影响非常明显.此外筋条与面板之间横向剪切变形也会显著地影响加筋夹芯结构的屈曲特性.因此,需要发展一种能准确计算面板与芯体之间、筋条与板之间横向剪切应力的模型来分析复合材料加筋夹芯结构的屈曲特性.文章推导了正弦型整体-局部高阶剪切变形理论,该理论满足面内位移、横向剪切应力连续条件和自由表面条件,并且未知量个数独立于加筋夹芯板的层数.基于此理论,结合离散的Kirchhoff三角形单元(DKT单元)构造了正弦型整体-局部高阶三角形板单元(SGLT),该单元满足面内位移在厚度方向的锯齿分布和横向剪切应力层间连续性条件,并通过两个数值算例验证了模型的准确性.随后评估了金属面板加筋夹芯板和复合材料面板格栅加筋夹芯板在各种几何、材料参数和边界条件下的屈曲特性.数值分析结果表明,建立的有限元模型能准确地预测加筋复合材料夹芯结构的屈曲行为.并且相较于三维有限元模型,建立的模型具有更高的计算效率.

格栅加筋土挡墙数值分析的复合材料方法

格栅加筋土挡墙由面板、格栅和填土组成,其结构特性一直是工程界关注的焦点。基于自洽理论和应变相容观点建立筋土复合材料力学模型,用来模拟格栅及其周围一定厚度的土体,依此对一台阶式格栅加筋土挡墙的结构特性进行有限元分析,并与大尺度模型试验测试结果进行比较。研究表明,该方法计算结果和模型试验测试结果在趋势上和数值上都表现出较好的一致性。

冲击后含损伤复合材料格栅加筋板的后屈曲

采用数值分析方法研究了冲击后含损伤的复合材料格栅加筋板的后屈曲特性。基于Mindlin一阶剪切理论和Von Karman大挠度理论,建立了冲击后蒙皮内含分层损伤复合材料格栅加筋板后屈曲分析的有限元方法;分析中同时考虑了蒙皮和肋骨中纤维断裂、基体开裂等损伤累积造成的刚度的退化和蒙皮分层子板间的闭合接触效应,为含损伤复合材料格栅加筋板的后屈曲特性研究提供了一种有效的数值分析方法。分析结果表明,蒙皮分层面积较大时,格栅加筋板出现蒙皮分层上子板的局部屈曲后仍然具有较强的继续承载能力,而在后屈曲分析中,应考虑损伤累积对格栅加筋结构承载能力的影响;采用非线性虚拟界面元可成功处理分层子板间的闭合接触效应。

先进复合材料格栅结构(AGS)应用与研究进展

具有空间点阵的先进复合材料格栅结构(AGS)是一种新型高效的结构形式,在航空、航天结构中具有良好的应用前景。介绍了AGS优良的各项性能以及在美、俄等国航空、航天工程中的应用现状,着重描述了混合工艺法、模具膨胀工艺和拉挤-互锁格栅结构几种现行工艺方法,并对当前国内外针对格栅结构的力学性能和结构健康监测的研究进行了概述。最后提出了AGS进一步研究的工作展望。

复合材料格栅加筋板布局优化设计

采用遗传算法在总体屈曲约束条件下对复合材料格栅加筋板进行布局优化设计。采用一种参数化的平铺等效刚度计算方法,用于分析格栅加筋板的总体屈曲。最后通过有限元分析对优化结果的有效性进行验证。设计变量为轴向和横向的筋条间距、筋条高度和厚度,筋条的布局。该方法适用于在给定板的全部可选尺寸参数,面内设计载荷,边界条件,材料属性条件下,对复合材料格栅加筋板进行质量最轻的布局优化。

复合材料格栅结构屈曲特性分析

复合材料格栅结构是由连续纤维缠绕的斜向及环向肋和蒙皮组成的结构。基于Mindlin一阶剪切变形理论下的层合板和层合梁单元,模拟格栅结构的蒙皮和肋骨,通过空间坐标变换和利用蒙皮和肋骨的几何连续条件,获得了复合材料格栅结构的单元切线刚度阵,并给出了复合材料格栅结构的屈曲有限元数值模拟方法。通过对设计状态的复合材料格栅结构的计算分析,并与实际轴压试验结果比对,,证明该计算方法可行,能够满足结构屈曲特性分析的要求。

含分层损伤复合材料等三角形格栅加筋板的起裂和扩展过程研究

对在压缩载荷下先进复合材料等三角形格栅加筋板结构(AGS)后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程进行了研究。基于一阶剪切变形理论和Von-Karman几何非线性关系,提出了AGS结构后屈曲有限元分析模型;基于总能量释放率准则,并利用虚裂纹闭合法(VCCT)及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程,在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应。并通过典型算例,讨论了不同的初始分层尺寸、肋骨刚度对等三角形格栅加筋板结构的分层起裂和扩展过程的影响,通过与具有相同几何尺度的正交格栅加筋板结构的比较,说明等三角形格栅加筋板结构具有较高的抗分层能力。本文方法和所得结论对AGS结构的承载能力预测和设计将具有参考价值。

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。

复合材料格栅结构单元力学性能预测

采用商业有限元软件MSC.Nastran,运用简单的Shell单元对复合材料格栅结构蒙皮和加强筋进行模拟,预测复合材料格栅结构名义纵向拉伸强度/模量,弯曲强度/模量。计算结果表明,随着复合材料格栅中肋高度的增加,名义弯曲强度/模量和拉伸强度/模量均有下降趋势。

含初始缺陷复合材料格栅加筋圆柱壳的鲁棒优化设计

针对复合材料格栅加筋圆柱壳具有多约束、连续变量和非连续变量混合的特性,基于复合材料中厚圆柱壳体的非线性稳定性理论,考虑优化目标和约束鲁棒性,采用混合遗传算法,提出了一种非完善复合材料格栅加筋圆柱壳的鲁棒优化设计方法.应用正交设计理论确定主要的鲁棒优化设计变量,简化了运算过程,从而提高了优化分析效率;同时又采用五点差分格式代替梯度运算,解决了在优化计算过程中不可求导的问题.通过典型算例表明,鲁棒优化设计所得到的优化分析结果与传统确定性优化方法相比差别较大,此外壳体的初始缺陷亦将对优化结果产生很大的影响.

先进复合材料格栅加筋圆柱壳体稳定性分析

基于精细三角形Mindlin板单元构造了用于先进复合材料格栅加筋圆柱壳体稳定性分析的三角形复合材料加筋平面壳单元.肋骨和蒙皮采用了相同位移插值形函数,保证两者变形协调性的同时,又放松了肋骨转动的约束.肋骨放置的数量、位置和角度可以任意,为结构的单元网格剖分带来了很大便利.通过算例验证了该协调独立转角加筋板壳单元的有效性,特别是在分析高肋格栅结构时有较高的精度.最后分析了内外加筋形式对等格栅加筋柱壳稳定性的影响.

复合材料格栅加筋板的分层扩展特性

采用有限元方法对低速冲击后蒙皮内含有不同分层形式的复合材料格栅加筋(AGS)板的分层扩展行为进行了数值模拟。采用虚裂纹闭合技术计算分层前缘的总能量释放率,并以总能量释放率准则作为分层扩展判据,结合自适应网格移动技术,分别研究了在压缩载荷作用下,蒙皮内具有圆形和椭圆形分层的复合材料格栅加筋板的分层扩展过程。数值研究结果表明:分层深度的变化导致了AGS的分层扩展特性十分复杂,它与分层深度、初始分层尺寸、蒙皮和肋骨的刚度比、后屈曲变形模式等因素都密切相关。本文结论对AGS的承载能力预测及优化设计具有一定的参考价值。

含多分层损伤的先进复合材料格栅加筋圆柱壳(AGS)的热-机耦合非线性屈曲分析

采用基于复合材料一阶剪切理论的有限元法研究了含多分层损伤的先进复合材料格栅加筋(AGS)板壳结构的热-机耦合屈曲性态,在屈曲分析中考虑了材料热物理、力学性质与温度相关特性和分层损伤处的上子板、下子板的接触效应。同时在分层前缘采用了位移约束条件以保证分层区域的各子板的变形相容要求。通过一含多分层损伤的典型复合材料格栅(AGS)圆柱壳结构算例分析,讨论了在热-机耦合作用下分层大小、个数和分层位置对该结构屈曲性态的影响。结果表明:复合材料格栅(AGS)圆柱壳结构具有较强的抗热屈曲的能力和良好的损伤容限性。该文提出的方法和所得结论将对AGS结构的热-机耦合屈曲能力的预测和损伤容限设计具有一定参考价值。

复合材料格栅结构扁球壳的外压稳定性分析

采用有限元法分析均布外压作用下复合材料扁球壳结构的屈曲和后屈曲行为,讨论了铺层顺序等对屈曲及后屈曲行为的影响,在此基础上提出扁球壳体的格栅加筋方案并进行优化设计。结果表明,该格栅加筋方案可有效提高此类结构的抗屈曲能力,可供飞机结构中复合材料后压力框等类似部件的设计参考。

先进复合材料格栅结构与大型飞机

复合材料低成本制造技术是先进复合材料格栅结构能否广泛应用的关键。目前,以混合工艺法、模具膨胀工艺和拉挤-互锁及其增强改进工艺为代表的工艺方法已经取得较大的成功和应用,我们应该继续研究可靠性高、可重复性强和自动化的成型工艺方法,引进和发展大型AGS结构的自动化生产设备。

先进复合材料格栅结构力学性能仿真分析

以玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料格栅结构为研究对象,针对格栅结构参数与格栅结构强度的关系,使用有限元分析软件Ansys对格栅角度和格栅厚度两个重要的结构参数进行仿真模拟。以等效应力和应力体积比大小为依据,考虑构件实际受力情况,作力学模型简化,通过仿真分析得出格栅角度与格栅厚度的理论优化值为42°和1.5mm,实现对热塑性复合材料格栅结构的最优化设计。