曲线纤维壁板屈曲/后屈曲建模与快速分析方法

曲线(VAT)纤维复合材料壁板相比广泛应用的直线纤维形式具有更优的面内稳定性,作为机翼壁板,在同等质量时具有更高的抗屈曲潜力。为深入研究纤维路径对于曲线纤维壁板稳定性的影响规律,从各向同性薄板的理论出发,推导曲线纤维壁板在面内载荷下的稳定性分析方法;通过Airy应力函数和拉格朗日乘子描述边界条件,建立曲线纤维壁板适用于任意位移及载荷边界条件的单一变分方程,避免了非线性平衡方程和非线性相容方程间由于反复迭代对求解速度的制约。基于冯卡门大变形方程发展了曲线纤维壁板后屈曲状态下的非线性稳定性问题求解模型,并采用瑞利-里兹法建立了屈曲/后屈曲一体化半解析快速求解框架,该框架的求解精度与商用软件MSC.Nastran一致,但求解时间远低于商业软件;利用此优势,可以快速分析给定任意位移边界条件下的曲线纤维壁板屈曲响应特性,并得到纤维路径的影响规律。

曲线纤维铺放复合材料层合板结构拓扑优化方法研究

本文以曲线纤维铺放复合材料层合板为对象,构建了层合板单层曲线纤维铺放路径模型;结合层合板离散和单元等效原则,建立了曲线纤维铺放层合板单元等效本构关系;基于材料惩罚模式,以最小化应变能为评价结构刚度的指标,提出了体积约束下曲线纤维铺放复合材料层合板结构拓扑优化模型;基于有限元和移动渐近线方法求解拓扑优化模型,以获取层合板结构最优拓扑构型,采用数值算例验证设计方法的准确性。结果表明:构建的曲线纤维铺放层合板结构拓扑优化方法能够获得有效的拓扑构型,改变曲线纤维铺放路径可使悬臂梁和简支梁结构刚度分别提高36.9%和22.6%,性能得到明显改善。

曲线纤维复合材料矩形机翼的颤振分析

现代飞行器对于结构减重具有迫切需求,复合材料在飞机上应用的比重也越来越高。传统直线纤维复合材料层合板易发生失稳破坏,不能充分发挥复合材料层合板的性能,为了满足更高的性能需求,曲线纤维复合材料层合板成为一个重要的研究方向。通过调研国内外对变刚度复合材料层合板研究的相关文献,以及曲线纤维层合板在气动弹性领域的具体进展,发现曲线纤维应用于气动弹性翼面结构的设计较少,大部分仍然为传统的直线纤维铺层,曲线纤维复合材料在气动弹性应用方面仍有待进一步深入研究。本文将基于已有的颤振分析方法,结合曲线纤维复合材料铺层,通过改变曲线纤维的铺层角度方向,对曲线纤维复合材料矩形机翼的固有模态、颤振等气动弹性性能进行分析,并进一步探讨不同的曲线纤维角度变化规律对颤振问题的影响。

曲线纤维复合材料后掠机翼的颤振特性优化

曲线纤维铺层是制造变刚度复合材料层合板的一种新技术,本文以12层曲线纤维复合材料后掠机翼为研究对象,研究了不可压缩流动中后掠机翼的颤振特性优化,分析了纤维方向、优化层数和铺层厚度对颤振特性的影响。数值仿真中分别采用有限元法和高阶面元法建立后掠机翼的结构模型和气动力模型,利用VG法求解后掠机翼的颤振边界。计算结果表明,后掠机翼全部铺层采用曲线纤维时优化后颤振速度,比仅最外层采用时提高31.1%,比全部铺层采用直线纤维时优化后颤振速度提高14.3%。铺层全部采用二维方向可变曲线纤维时的颤振速度比一维角度可变的颤振速度仅提高1.7%,证明纤维方向沿展向可变对颤振边界影响更大。纤维方向和厚度共同优化时,在不改变后掠机翼总厚度的情况下可使后掠机翼的颤振速度再次提高5.4%。研究表明,采用曲线纤维进一步提高了复合材料层合板的可设计性,通过调整曲线纤维路径可以明显改变复合材料后掠机翼的颤振特性。

亚音速流场中曲线纤维变刚度复合材料壁板颤振特性研究

近年出现的曲线纤维变刚度层合板应用于高速列车壁板结构轻量化设计时,需要考虑变刚度壁板在亚音速流场中的气动弹性问题。基于Mindlin厚板理论和势流流动理论分别描述壁板结构变形和亚音速气动力,根据虚功原理和有限元法建立了曲线纤维变刚度复合材料壁板的颤振模型,进而采用复模态理论、Newmark法分别从频域、时域对复合变刚度壁板颤振方程进行求解。在验证方法正确性和收敛性的基础上,进行了曲线纤维铺设关键参数对复合变刚度壁板颤振特性的影响规律研究。结果表明,通过调整曲线纤维路径可以改变复合变刚度壁板的颤振临界速度,而且曲线纤维丝束角改变可增大复合壁板颤振的设计空间。

压电微动近场直写曲线纤维的工艺研究

首先,搭建近场直写设备和设计微动装置,为补偿压电陶瓷促动器的小行程采用柔性放大机构,并进行有限元分析其应力和共振频率;然后,研究近场直写工艺的直写可控性规律,探究各因素对工艺效果的影响,尤其是不同速度匹配机制下的轴向压弯效应、临界阶段和拖拽效应;最后,通过闭环控制压电陶瓷驱动器进行可控制备特定周期和特定幅值的规律波浪型曲线纤维。

曲线纤维变刚度壁板的亚音速气弹稳定性研究

针对曲线纤维变刚度复合材料层合板在高速列车壁板结构轻量化设计中的广阔应用前景,研究了弹性、黏弹性变刚度复合壁板在亚音速流场中的气动弹性稳定性问题.首先,基于Mindlin厚板理论和势流流动理论分别描述壁板结构变形和亚音速气动力,根据虚功原理和有限元法建立了曲线纤维变刚度复合材料弹性/黏弹性壁板的气动弹性稳定性分析模型,进而采用复模态理论求解复合材料变刚度壁板发散临界速度;在验证方法正确性和收敛性的基础上,研究了壁板关键参数等对复合变刚度壁板发散失稳特性的影响规律.研究结果表明:与直线纤维壁板相比,通过调整曲线纤维路径可以实现壁板的发散临界速度50%左右的提升,有效增强壁板气动弹性稳定性.

不同铺层数量下的纤维角度曲线变化复合材料层合板振动特性研究

相比于传统复合材料纤维直线铺放层合板,纤维角度曲线铺放时可改变层合板的应力分布,提升刚度和承载能力。出于减振的目的,设计制备了不同纤维曲线角度和不同铺层数量的纤维曲线层合板,利用模态试验对比分析了纤维曲线角度和铺层数量对层合板振动特性的影响。结果表明:铺层数量相同时,纤维曲线角度变化为±<60|75>时,层合板的前三阶固有频率达到最优状态;纤维曲线角度变化为±<45|60>时,层合板的阻尼比最大;当纤维曲线角度变化相同时,对比8层、12层、16层三组不同铺层数量对层合板固有频率的影响,铺层数量在8~16层范围内,层合板的前两阶固有频率随铺层数量的增加呈现先增大后减小的趋势。所做工作可以为纤维曲线层合板的振动优化提供参考。

曲线纤维增强复合材料圆环板的非轴对称弯曲问题

由自动铺丝机制造的结构具有面内变刚度特征。这种由空间变化引起的刚度变化使结构的控制方程成为了变系数偏微分方程,给求解非轴对称弯曲问题带来了很大挑战,难以求解其精确解。该文基于经典板壳理论,推导了柱坐标下正交各向异性变刚度圆环板非轴对称弯曲问题的控制方程。假定刚度分别随弹性模量指数函数和曲线纤维方向角连续变化,采用加权残值法计算了周边弹性约束时复合材料圆环板的挠度。通过与精确解结果的比对,验证该方法是有效的,并有较高精度。计算结果表明曲线纤维方向角的变化将使曲线纤维增强复合材料结构的相关力学性能明显优于同等比例的直线纤维增强复合材料结构。同时,结果还表明变刚度复合材料圆环板的非轴对称挠度与其周边的约束条件、材料参数、内外半径比值、纤维方向角等密切相关。

纤维曲线铺放的变刚度复合材料损伤失效试验研究

根据纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板层内铺层角度的参考路径制备出铺层顺序分别为[±45/±〈45/60〉2/±〈15/30〉]s和[±45/±〈15/30〉/±〈45/60〉/±〈30/45〉]s的变刚度复合材料层合板,并对该变刚度复合材料层合板在拉伸和弯曲载荷作用下的损伤破坏过程进行了试验研究,获得了该复合材料层合板的损伤破坏演化过程。通过对纤维直线和纤维曲线铺放的复合材料层合板的拉伸和弯曲试验进行对比,结果表明:在拉伸载荷作用下纤维曲线铺放比纤维直线铺放的复合材料层合板的极限载荷和强度提高了49%和42%,在弯曲载荷作用下的极限载荷和强度提高了28%和32%;纤维直线铺放的复合材料层合板的断口破坏较为严重。纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板的结构性能得到了显著提高。

纤维曲线铺放制备变刚度复合材料层合板的研究进展

纤维曲线铺放技术可以同时对刚度和强度进行剪裁优化设计,由此制得的变刚度复合材料层合板与传统的复合材料层合板相比,其重量和成本可以减少10%～30%,同时结构性能得到显著提高。本文先介绍了纤维曲线铺放技术及变刚度复合材料的概念,对比分析了纤维曲线铺放的两种方法,然后讨论了变刚度复合材料层合板设计制造的主要问题,重点论述了纤维曲线铺放变刚度层合板的应用研究,最后对纤维曲线铺放技术的应用前景进行了展望。

纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板的失效分析

介绍了一种纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板有限元建模方法。按照曲线铺放规律定义每一个单元的实常数,并对这种纤维曲线铺放层合板进行建模。在此基础上讨论了在弯曲和压缩失效两种不同边界条件下,采用Tsai-Wu失效准则,对其进行失效分析,验证其面内受力情况,计算最大的Tsai-Wu强度比倒数1/R。当1/R=1时,所施加的载荷为失效的临界载荷。对比两组纤维直线和纤维曲线的铺层算例,弯曲失效条件下临界失效载荷提高16%和21%,压缩失效条件下临界失效载荷提高51%和19%。纤维曲线铺放层合板有效提高了失效性能。

纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板的屈曲

本文介绍了一种纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板的概念,利用这种新的铺放方法所引起的复合材料层合板面内应力的重新分布,提高了复合材料层合板的屈曲载荷。并且利用ABAQUSTM软件对这种纤维曲线铺放的复合材料层合板进行了建模计算,验证了其面内受力情况下,屈曲载荷显著提高,幅度达14%左右。

变刚度纤维曲线铺放复合材料层合板的有限元建模和拉伸特性分析

通过对变刚度铺放路径进行数学建模,得到变刚度复合材料层合板的拓扑构型,对复合材料层合板内每个离散单元的每个铺层进行纤维角度和铺层厚度的独立设计。然后将拓扑构型数据导入有限元分析软件GENESIS中,实现层合板铺层信息的可视化显示和拉伸性能的分析,得出层合板的弹塑性本构关系。通过仿真数据与实验测试数据进行对比,得出在所构建的变刚度复合材料层合板模型上进行拉伸实验仿真的准确度可达95%。该方法不仅可以可视化地展现出铺放过程中发生重叠的位置、整个复合材料层合板的厚度分布以及每层上铺放角的分布,还可对其在弹塑性范围内的拉伸性能进行精确仿真。

基于变刚度纤维曲线铺放的机器人铺放路径规划及运动仿真

根据平面变刚度纤维曲线铺放路径设计了圆柱芯模的变刚度铺放路径规划;应用Denauit-Hartenbery(D-H)矩阵法解出铺放机器人的末端位姿数学模型;运用Solidworks软件建立了铺放机器人的虚拟样机模型并仿真出了末端铺放轨迹;运用Matalb软件对其进行运动仿真分析,绘制并研究各关节的运动参数特性,证明了轨迹设计的合理性;利用Matalb软件将仿真结果与数学模型求解结果进行对比,验证了末端位姿数学模型的准确性与可靠性。

波纹纤维混凝土的动力耗散研究

根据曲线纤维的几何特点和受力性能 ,推导了波纹纤维混凝土的本构关系 。

变刚度复合材料层合板研究进展

变刚度复合材料层合板由纤维曲线铺放而成,可以实现刚度分布的变化设计,与传统固定铺层角的复合材料层合板相比,变刚度复合材料层合板在减少重量和成本的同时,也提高了结构性能。随着铺放设备的发展,目前已经能够利用自动铺放技术实现纤维的曲线铺放。同时,为提高复合材料构件的结构性能和满足不同的工程实际需求,铺层设计方法也从单一角度的直线铺层逐渐向变角度曲线铺层发展。本文首先介绍了变刚度复合材料层合板设计制造方法与有限元建模,接着在刚度分布、屈曲特性、失效行为等方面阐述了变刚度复合材料层合板力学性能的研究进展,然后结合南京航空航天大学复合材料工程自动化技术研究中心在变刚度复合材料层合板振动特性方面的研究,对变刚度复合材料层合板振动特性进行了分析和概括,最后对变刚度复合材料层合板未来的研究趋势进行了论述与展望。

变刚度复合材料加筋壁板的压缩试验及仿真研究

受益于自动铺丝等自动化制造技术,曲线纤维复合材料的工程应用已经成为现实,但曲线纤维复合材料在加筋壁板上的性能优势仍缺乏相应的试验数据验证。本文对比分析了直线纤维与优化后的曲线纤维复合材料加筋壁板的压缩性能,采用了自动铺丝工艺分别制造了直线纤维面板和曲线纤维面板,并与固化好的工形长桁进行二次固化,然后对两种类型的试验件进行压缩性能测试。试验结果表明,直线加筋壁板复合材料的压缩载荷为116.27kN,而优化后曲线纤维加筋壁板的压缩载荷为151.62kN。对两种形式的加筋壁板进行了有限元仿真,并与试验结果进行对比。仿真结果表明,直线纤维加筋壁板因为较早地出现了面板屈曲并随之与工形长桁脱黏,最后长桁被压溃而导致整个结构失效。而曲线纤维加筋壁板因为屈曲强度较高,在临近失效时才发生脱黏,并导致最终的压溃。

拉伸载荷下开孔层合板的纤维铺放轨迹研究

采用自动铺放技术可实现纤维增强复合材料层合板内纤维铺设角度的连续变化。通过最小应变能密度和最大Tsai-Wu强度比,从理论上针对开孔变刚度层合板进行优化,提出了以主应力法、网格化法、化曲为直法三法结合,先以各项同性板为模型,确定主应力轨迹,再把复杂连续的曲线铺放路径离散为若干直线段,确定铺放角度,使纤维沿主应力分布状态设计而成的变刚度曲线铺放层合板在有限元分析软件中得以实现。根据开孔层合板单轴拉伸的仿真对比试验,表明了按主应力设计法生成的曲线铺放层合板比直线铺放有更优异的力学性能,最大第一主应力减少了37.6%,平均应变能密度减少了8.19%,Tsai-Wu强度比即安全裕度提高42%。

变刚度复合材料层合板的纤维铺放路径设计及屈曲分析

与传统纤维直线铺放的复合材料层合板相比,变刚度层合板可以更好地实现材料的可设计性,并通过铺放路径的优化设计提高层合板的屈曲载荷。首先,对铺放角随坐标轴线性变化的铺放路径进行扩展,提出多种铺放角非线性变化的曲线线型,并以此作为基准轨迹重新设计了四种纤维变角度铺放方式。其次,利用ANSYS软件对上述五种不同铺放路径的变刚度层合板进行建模运算,在单轴和双轴载荷下,对其进行屈曲载荷计算分析并与定角度铺放的层合板对比。计算结果表明,铺放路径优化下的变刚度层合板与纤维直线铺放的层合板相比,其屈曲载荷得以显著提高。