FGM板三维层合模型及热-噪声载荷下的动态响应研究

为了有效地分析热-噪声联合载荷作用下的飞行器功能梯度壁板结构的非线性动态响应,提出了运用复合材料多层壳单元建立功能梯度材料(FGM)板的层合有限元建模新方法,研究了FGM板在热曲屈前、后状态下复杂的非线性时域动态响应特性,并探讨了梯度指数、热曲屈系数及声压级(SPL)等参数对FGM板非线性动态跳变响应的影响规律。FGM板三维层合建模新方法避免了采用常规有限元法(FEM)建模时需要在厚度方向划分大量单元的缺点;求解FGM板非线性动态响应时采用的隐式积分方案避免了模态叠加法对参与模态选择的经验性要求及模态截断造成的信息丢失等缺陷。仿真结果表明:FGM板层合有限元建模新方法合理可行、过程简便、计算精度高;研究发现:陶瓷-金属FGM板在热屈曲后的抗声振性能并不像热屈曲前那样介于金属板和陶瓷板之间,而是表现最差;热屈曲系数及声压级的组合形式是导致FGM板发生非线性跳变响应的主要影响因素。

翻新载重子午线轮胎层合结构模型的构建

介绍翻新载重子午线轮胎层合结构模型的构建方法,并利用该模型进行垂直负荷工况的有限元分析,提出了适合翻新载重子午线轮胎的变形计算模型。仿真结果与试验结果有较好的一致性,说明所构建的层合结构模型合理有效,从而为翻新轮胎的力学性能研究奠定了基础。

不均等层厚划分的功能梯度圆筒的有限元分析

基于功能梯度圆筒层合模型的思想,将功能梯度立井井壁划分为N层同轴圆筒,从而建立了5种不同层厚划分工况的有限元分析模型进行数值模拟。对在弹性模量沿径向线性变化(内小外大)的N层井壁中,4种不均等层厚划分与普通均等层厚划分相比井壁内部Mises应力和位移的差别进行了分析,并通过改变划分层数N来进一步探究层数的变化对上述由不同划分层厚方式引起的差别的影响,最后验证了弹性模量沿径向线性变化情况下所得结论在沿径向方向弹性模量按照其他的函数变化形式中的适用性与普遍性,以上结论解决了选取最佳层厚划分形式功能梯度井壁的问题,达到了指导功能梯度井壁在实际工程中运用的效果。

耦合各向异性蠕变损伤的黏弹性薄板的弯曲

设损伤张量的主方向与应力张量主方向相同,基于Schapery的耦合损伤增长的对应原理,得到考虑各向异性蠕变损伤的黏弹性本构关系.将薄壁结构沿厚度方向分层,建立层合模型,且由Kachanov的损伤演化方程描述损伤沿层中各点处2个主方向的发展.具体分析了承受均布荷载的四边简支黏弹性薄板的弯曲,给出耦合各向异性损伤黏弹性薄板蠕变弯曲问题的控制方程、边界条件以及求解方法.数值算例表明:黏弹性薄板弯曲时的材料主方向与时间基本无关;当荷载在一定范围内时由于内力的重新分布,考虑损伤后的黏弹性薄板挠度最后趋于稳态值;损伤沿厚度方向的非均匀演化引起拉弯耦合效应增加了板的变形;基于各向同性损伤模型所得板的蠕变变形大于各向异性损伤模型所给出的值.

超大型浮体柔性夹层连接器力学性能研究

考虑连接器作为超大型浮体最为薄弱的构件之一,研究带有柔性夹层连接器的力学特性,旨在明确柔性夹层对连接器的刚度和应力变化的影响。文章将钢与柔性夹层的层合本构模型与接触力学分析手段相结合建立计算理论,以提高计算效率和收敛性。并开展验证性实验,通过对比实验与计算结果,发现该理论方法计算所得结果与实验数据吻合良好。应用该计算理论,进一步对连接器进行力学分析,分别获得超弹性橡胶和尼龙作为柔性夹层时连接器的力学特性和刚度变化曲线,并获得不同厚度,初始弹性模量和泊松比对这一结果的影响程度。分析发现,柔性夹层的软硬程度对连接器的应力水平与应力分布影响显著,同时材料参数的变化对于连接器的刚度变化影响较大,因此,连接器柔性夹层的选取是一个双因素问题,可根据实际需要,对柔性夹层材料进行参数优化,既得到合理的连接器刚度,又将连接器应力水平控制在合理范围内。

多层功能梯度立井井壁有限元仿真

本文采用层合模型的思想将功能梯度立井井壁划分为多层同轴圆筒,并借助ABAQUS有限元软件进行数值模拟,分析了各层间弹性模量差值的改变对于多层功能梯度井壁力学特性的影响,由此得出当圆筒内部应力分布最均匀时的最适层间弹性模量差值,并探究了功能梯度立井井壁在不同分层数情况下最合适层间弹性模量差值的变化情况及产生的原因。结果表明:不同层数下的功能梯度井壁均对应一个最合适的层间弹性模量差值,使得功能梯度立井井壁内部Mises应力达到相对均匀,即有效缓解了井壁内侧的应力集中现象,同时井壁内侧的最大应力达到最小,并且最合适层间弹性模量差值随着层数增加而减小,此研究对于确定功能梯度井壁在实际工程应用中的划分层数和各层的混凝土标号的选取具有重要意义。

复合材料薄壁方管准静态轴向压缩失效机理及吸能特性

以[±45]3s铺层的碳纤维增强复合材料薄壁方管为对象,进行准静态轴向压缩试验,研究其轴向压缩失效模式及破坏吸能特性。试验结果表明,[±45]3s方管在准静态轴向压缩载荷作用下的破坏模式为局部屈曲失效模式;在局部屈曲区,失效主要表现为纤维与基体断裂、分层以及轴向与纵向裂纹扩展,并耗散大量能量;在弹性区,能量耗散大部分由于层间分层,少部分来自于纤维与基体弹性变形。基于Puck2000基体失效准则与Yamada Sun纤维失效准则,研究建立单层壳、多层壳、层合壳3种有限元模型,对方管轴向压缩失效模式和吸能特性进行模拟。仿真结果表明,3种有限元模型能够在一定程度上复现[±45]3s方管轴向压缩失效模式及吸能特性,但层合壳模型能够更好地模拟[±45]3s方管局部屈曲的失效模式,且比吸能误差最小,仿真结果与试验结果最接近。

基于CDM的黏弹性薄板压屈失效分析

研究黏弹性薄板的压屈失效问题。基于连续介质损伤力学与Schapery对应原理,得到耦合各向异性蠕变损伤的黏弹性本构模型,构造板的分层模型以考虑损伤演化的空间特征,建立具初挠度板的非线性压屈控制方程与边界条件,并进行空间与时间域上的数值离散和迭代求解。计算结果与实验曲线的对比表明本文的分析方法是有效的,黏弹性材料的蠕变损伤将导致结构刚度不断削弱,在一定应力水平下,板发生变形快速增加的压屈失效。

载重车辆翻新轮胎接地压力特性仿真及试验研究

针对11R22.5载重车辆翻新子午线轮胎,对翻新轮胎的接地力学进行了描述,建立了翻新轮胎层合结构的复合材料有限元模型,利用ANSYS非线性大变形求解方法进行了翻新轮胎接地压力、接地面积及接地印痕等方面的有限元仿真,并进行了试验研究,得出翻新轮胎接地力学方面与同型号新轮胎相比存在一定的差异.

复合材料C型柱轴压失效分析的层合壳建模方法

由于易于设计、制造以及承载效率高,C型柱作为一种典型的垂向支撑结构,大量应用于大型运输类飞机货舱地板下部。以复合材料C型柱结构为对象,并结合复合材料C型柱轴向压缩试验,旨在发展其在轴向压缩载荷下失效分析的有限元方法。首先,对材料模型的应力-应变曲线进行参数化研究,明确Lavadèze材料单层模型、Puck IFF基体失效准则和Yamada Sun纤维失效准则中参数的物理意义并给出取值建议。其次,建立"层合壳"模型,模拟轴向压缩载荷下破坏失效的力学行为,并与试验结果进行对比分析。研究结果表明,该建模方法能够较好地模拟渐进压缩破坏过程,平均压缩载荷、比吸能的预测值与试验结果具有较好的一致性。

基于舒适度的钢桁架-混凝土组合楼板动力特性研究

大跨楼盖结构的振动舒适度问题在结构设计中不可忽视,钢桁架-混凝土组合楼板是大跨结构中常用的楼板形式。针对该类型楼板的振动舒适度问题,建立简化层合梁模型以及精细的层合板模型,分析结构动力特性的影响因素和影响机理,并建立某真实结构的参数化有限元模型,计算细部构件对楼板振动频率影响规律。研究表明:当混凝土板和钢桁架的弹性模量比、质量密度比满足一定条件时,存在"分界点"使得随着混凝土板厚增加,组合楼板基频先降低后增加。进行舒适度计算或减振设计时,应注意是否存在"分界点"以及"分界点"位置;增大混凝土板弹性模量或减小密度能提高楼板基频,但对基频改变不明显;工程上可通过适当提高下弦杆和腹杆截面惯性矩、提高桁架高度和减小楼板跨度等方法提高组合楼板频率。

功能梯度厚梁的二维热弹性力学解

运用状态空间法和微分求积技术的混合方法,给出了功能梯度厚梁的二维热弹性力学解.假设材料常数沿厚度方向连续变化,于是从基本方程推导得到变系数状态方程.运用近似层合模型将该方程转化成层内的常系数状态方程.为了消除数值计算不稳定现象,根据层合模型中界面处的连续条件,引入了界面耦合矩阵.用DQ(differential quadrature)技术将梁的轴向离散,使得该方法便于处理任意端部支承条件.考虑弹性常数沿厚度方向按指数函数变化的两端简支梁,以验证该方法的精确性和有效性,并通过其他算例讨论了有关参数的影响.

球面各向同性功能梯度压电球壳的三维热释电分析

采用层合近似技术,将压电球壳划分成厚度足够小的若干薄层,从而可将每一层内的材料参数近似为常数。在此基础上,利用状态空间列式和级数展开方法进行了解析求解。导出了稳态热传导问题内外边界温度场状态变量的整体传递关系,从而可以由边界处的温度条件决定球壳内任一点的温度场。给出了两类电弹性状态方程和相应的整体传递关系,其中第二类含有与温度场有关的非齐次项,从而可以确定由温度荷载引起的耦合电弹性场。最后给出了算例,讨论了材料梯度指标对非均匀球壳热释电响应的影响。

翻新轮胎承载变形特性

在考虑翻新轮胎主体结构及多元复合材料结合性能基础上,应用复合材料层合结构和有限元大变形理论,构建了11R22.5载重车辆翻新轮胎的力学模型、几何模型及有限元模型,通过轮胎承载性能试验,对翻新轮胎的承载变形特性进行了仿真分析和试验研究,并与同品牌、同型号新轮胎进行了对比分析。根据翻新轮胎承载变形特性变化规律,修正了翻新子午线轮胎变形理论计算公式。分析结果表明:当充气压力一定时,随着载荷的增大,载重车辆翻新轮胎径向变形、侧向变形、接地长度及接地面积均增大,变形规律近似线性,而径向刚度变化不大;当载荷一定时,随着充气压力的增大,其径向变形、侧向变形、接地长度及接地面积均减小,而径向刚度逐渐增大。研究得出翻新轮胎胎体弹性模量较新轮胎胎体大,且两者之差越大,说明翻新轮胎的胎体老化程度越高,其剩余使用寿命越低,据此可有利于对翻新轮胎胎体老化程度进行预测。

典型螺栓连接CFRP薄壁C型柱轴压失效行为:试验及数值模拟

为了研究典型螺栓连接碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)薄壁C型柱的轴压失效模式及吸能特性,进行了5组不同铺层方式C型柱的准静态轴压试验,即[0/90]_(4s)、[±45]_(4s)、[±45/90_(2)/0_(4)]_(s)、[±45/90/0_(2)/90/0_(2)]_(s)、[90/±45/0]_(2s),获得其失效形貌及载荷-位移曲线。采用Lavadèze单层壳单元模型、Puck-Yamada失效准则、层间胶粘单元及螺栓模型,建立C型柱层合壳模型进行轴压仿真,并与试验失效形貌、载荷-位移曲线及吸能特性评估指标进行对比分析。结果表明:0°、±45°、90°纤维可以显著影响C型柱轴压失效模式及吸能特性。在轴压载荷下,±45°纤维铺设C型柱发生局部屈曲失效模式,吸能特性差。±45°纤维铺设在外部,0°和90°纤维交替铺设在内部的C型柱,其轴压失效过程平稳,吸能特性好。与C型柱轴压试验结果相比,层合壳模型获得的整体变形和局部失效形貌吻合较好,载荷-位移曲线变化趋势和吸能特性评价指标基本一致。研究结果对CFRP薄壁C型柱吸能设计具有一定的指导意义。