不同材料复合结构温度场的有限元算法改进

传统的热传导有限元方程以导温系数和等效表面散热系数作为基本参数,当用以计算比热和容重乘积相差较大的多种材料组成的非均质问题时,会带来较大误差。从热量平衡方程出发,提出的直接用导热系数、表面散热系数和热量为基本参数的热传导有限元算法,对原来方法进行了改进。计算实例表明,这种方法可以正确地计算不同材料组成的复合结构的温度场。

爆炸、冲击防护材料复合结构研究进展

本文从材料组成结构及其对性能影响的规律出发,总结了国内外大量关于抗爆炸、冲击材料复合结构的设计和研究,系统介绍了由水泥混凝土、金属、有机材料等基体材料组成的复合结构的设计方法、特点和及其防护效果,重点介绍两层材料组合结构和三层材料组合结构;期望能够为有抗爆炸、抗冲击要求的各类国防工程、人防工程,以及民用和工业建筑进行防护材料和结构的研制提供参考。

高速冲击加载下碳纤维复合材料层合结构抗侵彻特性及响应机理

碳纤维复合材料层合结构在高冲击服役环境中常遭受外来物体冲击作用,使之出现一些不可预测的各种损伤形式,甚至会出现不可控的损伤模式。为确保这些结构的安全性和可靠性,对碳纤维复合材料层合结构抗冲击响应及防护机理展开了研究。以碳纤维复合材料层合结构作为研究对象,基于一级轻气炮构建高速冲击加载试验装置,探明了碳纤维复合材料层合结构能量吸收特性与冲击能量之间的联系规律,结合弹道极限方程,确定了其弹道极限,并明确了不同冲击速度作用下的损伤模式。同时引入内聚力单元进行数值模拟仿真研究,探明了碳纤维复合材料层合结构层与层之间内聚力单元的损伤模式,揭示了其在高速冲击加载环境下的损伤机制。研究结果为反向设计适用于高速冲击加载环境复合材料层合结构提供理论依据。

“高温热结构复合材料”课程教学改革与实践研究

在高校专业课中实施课程教学改革是高等教育实现全员全程全方位育人的重要组成部分。以“高温热结构复合材料”课程为研究对象,分析了目前课程教学中存在的“课程理论知识与工程实践结合不紧密”和“课程教学内容与思政教育的融合性不充分”等问题。针对教学问题开展了课程教学改革与实践,提出了“高温热结构复合材料”课程内容设计方法,阐明了“高温热结构复合材料”课程思政设计思路。最后,结合“高温热结构复合材料”课程教学改革的实施过程和学生的反馈,总结了课程教学改革的实施效果。

某型飞机复合材料结构损伤分布规律

针对飞机复合材料结构的损伤和修理问题,对某型固定翼飞机机翼、机身等部位的复合材料结构应用和损伤情况进行统计,复合材料在该型飞机的主要应用形式主要有实心整体壁板和夹芯层合板2种,建立随时间变化的结构损伤分布模型,利用统计方法对损伤分布进行拟合和检验。结果表明:结构损伤的数量比例分别为蒙皮分层占75%、长桁分层约占20%、长桁脱黏约占4%;对数正态分布、Weibull分布、Γ分布均可以拟合这3种类型损伤的几何参数分布,其中对数正态分布模型的拟合效果最好;单架飞机的损伤几何参数分布规律不随时间变化,同型号飞机之间的损伤几何参数分布规律也高度相似,可采用统一的函数形式描述。

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%。

复合材料夹芯结构低速冲击性能研究

复合材料夹芯结构为电子设备与外层蒙皮提供了一体化设计的思路,可以大幅降低飞行器的结构重量。通过低速冲击试验和ABAQUS仿真研究了5 J和10 J冲击能量下某飞行器复合材料机翼蒙皮典型夹芯区域在低速冲击下的性能。随着冲击能量的增加,复合材料泡沫夹芯结构的能量吸收率由5 J的72.0%提升至10 J的76.0%。由仿真结果可知,当冲击能量达到10 J时,出现了纤维损伤,且损伤沿表层铺层角度扩展,基体压缩损伤主要出现在冲击正面,基体拉伸损伤主要出现在冲击背面,损伤随冲击能量的增加而变大。当冲击能量达到10 J时,上面板与泡沫芯体粘接处也产生了较大的损伤。

基于导波监测的复合材料加筋结构冲击后剩余强度预测

对应用超声导波在线监测信息评估复合材料加筋结构冲击后剩余强度进行了研究。首先针对所监测的对象设计布置了压电传感网络并构建结构健康监测系统,通过局部信号差分系数计算出不同传感路径上的损伤指标,融合损伤概率成像方法识别损伤位置,测算形状因子以近似表征损伤尺寸。然后构建加筋结构有限元模型,由在线监测结果反馈损伤信息,采用软化夹杂法等效冲击损伤,依据复合材料损伤渐进失效分析理论,预测冲击后加筋结构的剩余极限强度。通过低速冲击、超声导波监测和压缩强度等一系列实验验证了所提出方法的有效性,为结构健康监测最高层次的应用提供基础。

连续阻尼夹嵌结构复合材料的弯曲疲劳特性研究

为了研究连续阻尼夹嵌结构复合材料(CDSSC)的弯曲疲劳特性,采用120℃共固化工艺制备了CDSSC试件并进行了静载三点弯曲试验和三点弯曲疲劳试验。在静载三点弯曲试验中,运用ANSYS数值模拟与试验结果共同求解出CDSSC外载荷与弯曲应力的线性公式;在三点弯曲疲劳试验中,采用线性公式求解出不同等级的应力水平并对CDSSC施加等效的疲劳循环载荷,试验结束后通过拟合得到CDSSC的疲劳-寿命(S-N)曲线。采用相同疲劳循环载荷研究了阻尼层厚度对CDSSC疲劳寿命的影响。结果表明:CDSSC疲劳失效的主要形式是层间滑移,且不会发生脆性断裂;疲劳寿命主要受材料中阻尼层的影响,当阻尼层厚度达到0.3mm时,疲劳寿命明显缩短,此后疲劳寿命趋于平稳;当阻尼层厚度为0.1mm时,CDSSC的疲劳性能最佳。

基于BP神经网络的木芯复合材料结构疲劳寿命预测

以不同试验条件下木芯复合材料结构的三点弯曲疲劳试验和四点弯曲疲劳试验的疲劳试验数据为样本,构建载荷等级疲劳寿命(S N)曲线模型和BP神经网络模型,并对试件疲劳寿命进行预测,同时利用BP神经网络对木芯复合材料结构疲劳寿命影响因素进行权重分析。结果表明:指数函数模型、幂函数模型、BP神经网络模型均可有效实现对木芯复合材料结构的疲劳寿命预测,其中BP神经网络模型的预测精度最高;载荷等级、均质化格构腹板面积比、跨高比对疲劳寿命的影响权重依次降低,合理设置格构腹板是提高木芯复合材料结构疲劳寿命的有效方法之一。

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

低能冲击下复合材料蜂窝夹芯结构表面损伤分析

基于低能量冲击探究复合材料蜂窝夹芯结构表面的损伤模式,分析低能量冲击对结构表面环氧树脂膜的裂纹扩展模式、损伤面积、裂纹长度和数量的影响,通过三点弯曲试验研究了低能冲击后碳纤维增强复合材料层合板的弯曲性能以及损伤极限值。研究结果表明,冲击能量会影响表面环氧树脂膜的损伤扩展模式,裂纹均以冲击落点为中心,向周围不规则地扩展,所形成的损伤面积随冲击能量递增,裂纹扩展长度与冲击能量成正相关,层合板的层间损伤模式以分层和纤维弯曲为主;低能量冲击试验证明了表面环氧树脂膜的裂纹扩展模式、损伤面积等与夹芯结构层合板内部的冲击损伤程度之间具备特定的联系,因此可为设计一种新的无损检测方法用于快速表征结构内部的冲击损伤提供可能性。

复合材料承压结构健康监测技术研究进展

复合材料承压结构是指采用复合材料制造的用于承受压力的部件,例如车载储氢容器、液氧贮箱、固体火箭发动机等.结构具有轻质高强、可设计性好等诸多优点,在航空航天、汽车和石化等领域得到广泛应用.然而在严苛服役条件下,复合材料承压结构的损伤积累及扩展极易导致部件失效,因此为提高其在役安全性,发展先进结构健康监测技术至关重要.本文首先详细对比了超声导波、声发射、红外、光纤光栅等监测方法的优缺点,重点阐述了复合材料承压结构健康监测方法及研究进展.其次,针对复合材料承压结构的材料特征,讨论了植入式微纳材料传感器在纤维/基体界面和层间性能监测方面应用及面临的关键挑战.最后,探讨了新型传感技术及人工智能方法的研发进展,并分析了其在复合材料承压结构在役安全保障领域的应用前景.

316L网络结构增强ZA8锌合金复合材料的切屑形貌研究

为了探究网络结构增强复合材料的切屑形貌以明确其切削加工机理,对316L网络结构增强ZA8锌合金复合材料和ZA8锌合金进行了切削试验及切削模拟仿真,分析了两者切屑形貌的异同,并着重探讨了复合材料在不同切削三要素下和不同增强体孔径下的切屑形貌变化。结果表明:复合材料的切屑长度和结构完整性显著低于ZA8,试验结果与模拟仿真结果类似,同时随着切削速度和背吃刀量增大,复合材料切屑更容易出现条纹状碎裂和崩碎现象,进给速度对材料的影响则相反。此外,复合材料增强体孔径越小,切屑长度越短,碎裂缺陷越多。

民用航空复合材料结构服役安全创新团队

民用航空复合材料结构服役安全创新团队共有固定研究人员20余人,其中教授3人,副教授4人,讲师3人,高级实验师1人,实验师1人,在读博士及硕士研究生40余人,已培养硕士研究生80余人。团队长期从事航空复合材料结构工程应用中的基础力学与软件开发问题,涉及高精度板壳分析理论、先进数值方法、异性材料断裂与损伤力学、多物理场求解理论、多尺度分析理论、复合材料结构修理技术、民用飞机结构健康监测与管理技术等。

复合材料翼型结构件内部缺陷的超声相控阵检测技术应用

复合材料凭借其优良的特性,在航天航空飞行器上得到了广泛的应用,随着飞行器中复合材料占比的提升趋势,复合材料结构件在制造或使用过程产生的各种形式的缺陷,可能导致重大经济损失或出现安全问题。超声相控阵技术作为可以在不破坏产品且在经济成本低的基础上能够快速、准确地检测出的缺陷,对复合材料结构件的应用尤为重要。

复合材料结构优化设计及其在化工工艺中的应用

化工工艺中常用的材料主要包括金属、陶瓷、有机聚合物、玻璃、石蜡等,它们具有不同的物理特性,在不同的工艺条件下,需要选用不同的材料。传统上,化工工艺中大多数都是根据经验进行材料的选型,很少考虑采用多种材料复合形成高性能新型材料的方式,不能完全满足化工工艺对材料的要求。复合材料具有优异的物理性能和力学性能,兼具有结构优化设计、成型工艺适应性强、重量轻、强度高、耐腐蚀等优点,完全能满足化工工艺的各种要求,得到广泛应用。

复合材料结构超级电容器碳纤维电极的制备与改性方法

高性能的碳纤维电极可以应用于更多的电化学装置,拓宽超级电容器的应用范围。通过优化制备和改性工艺,可以降低碳纤维电极的生产成本,从而降低超级电容器的整体成本,使其更具市场竞争力。通过分析复合材料结构超级电容器工作原理,基于氧化处理、电极涂覆和化学气相沉积等手段,探讨了复合材料结构超级电容器碳纤维电极的制备工艺,并提出相应的改进方法。通过分析碳纳米管(CNTs)、石墨烯和金属纳米颗粒等改性材料对碳纤维电极性能的影响,并通过测试对比,证实了复合改性材料对于提升碳纤维电极性能具有显著效果。通过测试分析,以期为未来超级电容器和其他电化学装置的开发提供一定参考。

新型材料在建筑结构中的应用——评《结构复合材料》

随着科学技术的不断发展,新型材料的研究和应用在各个领域都取得了巨大的进展,其中建筑领域也不例外。新型材料,包括但不限于高性能混凝土、纳米材料、复合材料和可再生材料等,已经开始在建筑结构领域得到广泛应用。这些材料不仅具有更高的强度和耐久性,还可以帮助减少资源浪费和环境污染。

复合材料天线结构低速冲击损伤与剩余强度

共形承载复合材料天线结构兼具力学承载和微波通信功能,由于其高度集成化和多功能化特点,应用前景广阔,但在制造和维修过程中极易受外来物的低能量冲击产生损伤。本文采用热压罐成型和二次胶结工艺制备以玻璃纤维增强复合材料为面板、以PMI泡沫为芯材并嵌入天线器件的复合材料天线结构。并对其开展低速冲击及冲击后压缩试验研究,对比含天线和不含天线两种结构的损伤特性与冲击后剩余压缩(CAI)强度。结果表明:与普通泡沫夹芯结构相比,复合材料天线结构的凹坑深度、冲击位移和背面纤维束拔出高度均减小,表明损伤阻抗能力增强;峰值载荷显著增加,100 J冲击能量下的峰值载荷为5.79 kN,增加了25.32%;压缩强度和CAI强度显著提高,压缩强度提高了28.87%,CAI强度提高超过113.08%;冲击破坏模式由整体贯穿及芯体大面积断裂变为芯体局部压溃、天线单元塑性变形及与泡沫夹芯大面积脱胶。