复合材料薄壁圆柱壳热振动特性分析

采用有限元软件ANSYS参数设计语言(APDL)实现复合材料薄壁圆柱壳结构在线性分布温度场作用下的非线性热振动特性分析。计算不同约束条件、不同铺层方式和铺层层数的复合材料薄壁圆柱壳在线性温度场作用下的各阶固有频率,分析边界约束、铺层角度及铺层层数对结构热振动频率的影响。结果表明,温度效应、边界约束、铺层层数显著影响结构的固有频率,适当的铺层角度会改变结构的固有频率,不同的铺层方式对结构固有频率影响程度不同。这些结论将对复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导作用。

纤维铺层角度对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性影响研究

研究T700/3234复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性受纤维铺层角度变化的影响规律。开展复合材料力学性能试验和薄壁圆管轴向准静态压溃试验。通过对比圆管轴向压溃峰值载荷及比吸能等指标的试验结果,验证建立的复合材料圆管有限元模型和分析方法。基于验证的有限元分析方法,探讨了复合材料纤维铺层角度的变化对薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响规律。结果表明,在准静态轴向压缩载荷下,随着纤维铺层角度的增大,比吸能先增大后减小;纤维角度为±45°时,初始峰值载荷最低,载荷效率最高,圆管易于进入渐进破坏吸能阶段。研究结果可为复合材料纤维铺层角度设计及复合材料薄壁结构有限元建模提供参考。

单闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼

研究单闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼特性。基于变分渐进法(VAM)和Hamilton原理,分别建立薄壁梁的截面力位移关系和运动方程;采用Galerkin法对薄壁梁进行自由振动分析;在获得薄壁梁振动模态矢量的基础上,根据最大应变能理论,对薄壁梁的模态阻尼性能进行预测,并且将阻尼预测的结果与现有的有限元计算结果进行对比,验证了该文阻尼分析模型的有效性。进一步针对周向均匀刚度配置(CUS)和周向反对称刚度配置(CAS)两种构型复合材料薄壁箱形梁以及一个翼型截面梁,进行阻尼计算,揭示了纤维铺层角和截面宽高比等参数的影响。

含随机不确定参数复合材料薄壁结构吸能特性评估方法研究

针对复合材料力学性能分散度大、加工精度低,导致复合材料薄壁吸能因素不确定等,提出含随机不确定参数复合材料薄壁结构吸能特性评估方法。考虑材料力学性能及结构特征尺寸的不确定性,评估准静态压溃条件下薄壁圆管峰值载荷及比吸能指标。据试样级材料性能实验确定各参数分布特征;用Plackett-Burman方法选实验点,采用显式求解有限元方法分析选出对比吸能、峰值载荷影响显著的参数;建立影响显著参数及结构吸能特性指标间二阶响应面函数;据参数分布抽样计算获得吸能特性指标分布情况。结果显示,对复合材料薄壁圆管而言,纤维方向拉伸、压缩强度及圆管壁厚、基体压缩强度对其轴向压溃的比吸能及峰值载荷影响显著。

含不确定性参数的复合材料薄壁结构吸能特性评估方法研究

由于复合材料性能分散度大、加工精度较低,为复合材料薄壁吸能结构引入了不可忽略的不确定性因素,为此,提出了一种含不确定参数的复合材料薄壁结构吸能特性的评估方法并进行了算例研究。复合材料薄壁圆管是一种典型的吸能元件,圆管的壁厚和内径是对其吸能特性有显著影响的特征几何尺寸,考虑了这两个参数的不确定性,在准静态压溃的条件下评估了薄壁圆管的引发比应力和比吸能这两个关键吸能指标。首先,利用区间分布来描述壁厚和内径的不确定性,其次应用有限元方法建立区间内不确定参数和结构吸能特性指标间的二阶响应面函数,最后对响应面函数进行区间摄动从而确定吸能特性指标的分布区间。算例研究结果显示,与比吸能相比,引发比应力受壁厚和内径不确定性的影响更大。此外,相比于内径,壁厚的不确定性对吸能特性影响更显著,因此为获得稳定的结构吸能特性应尽量提高复合材料圆管壁厚的加工精度。

旋转几何非线性复合材料薄壁梁的自由振动分析

研究具有几何非线性的旋转复合材料薄壁梁的自由振动。梁的变形引入了Von Kármán几何非线性,基于Hamilton原理和变分渐进法(Variational-Asymptotical Method-VMA),导出旋转复合材料薄壁梁的非线性振动偏微分方程组。采用Galerkin法将振动方程离散化为常微分方程组。借助于谐波平衡法(Harmonic Balance Method-HBM)建立自由振动的振幅-非线性固有频率关系方程。将上述方程化为非线性特征值问题,采用迭代算法进行求解。将所建立的旋转复合材料薄壁梁非线性自由振动分析模型和计算方法,应用于周向均匀刚度配置(Circumferentially Uniform Stiffness-CUS)构型复合材料薄壁梁,通过数值计算揭示了纤维铺层角、旋转速度对非线性振动固有频率-振幅关系的影响。

湿热环境下复合材料薄壁梁振动特性研究

研究湿热环境变化对复合材料薄壁梁自由振动特性的影响。给出了复合材料薄壁梁的位移场和应变场,将湿热应变引入单层材料的本构关系,基于Hamilton原理得到湿热环境下复合材料薄壁梁的多向耦合振动方程。用Galerkin法和假设模态得到薄壁梁的固有频率。讨论了周向均匀刚度(CUS)构型复合材料薄壁梁的耦合振动特点。数值计算分析了湿度、温度变化及铺层角度对梁振动特性的影响。

具有结构阻尼的复合材料薄壁梁的动力失速非线性颤振特性

研究具有结构阻尼的复合材料薄壁梁动力失速非线性颤振特性。采用受ONERA非线性气动力作用的复合材料薄壁梁的气弹模型分析非线性气弹稳定性;采用复合材料薄壁梁的模态阻尼分析模型进行结构阻尼预测,复合材料结构阻尼对复合材料薄壁梁气弹系统稳定性影响通过引入比例阻尼矩阵的方式予以考虑。采用Galerkin法对具有结构阻尼的气弹方程进行离散化,同时利用片条理论对非线性广义气动力进行计算。借助特征值方法及时域积分法分析复合材料薄壁梁非线性颤振边界及气弹响应的稳定性。通过数值分析,揭示复合材料结构阻尼、纤维铺层角对复合材料薄壁梁非线性颤振边界影响。结果表明,结构阻尼用于抑制复合材料薄壁梁的动力失速非线性颤振,增强气弹稳定性,具有十分明显作用效果。

基于ANSYS的双闭室复合材料薄壁梁的振动模态分析

基于ANSYS软件对双闭室复合材料箱型薄壁梁进行模态分析。首先,建立双闭式箱型复合材料薄壁梁的模型,然后,针对两种铺层方式以及不同的纤维铺层角,分别对薄壁梁进行模态分析,揭示复合材料的铺层方式以及铺层角度对双闭室箱型薄壁梁的固有频率、模态振型的影响。

埋入SMA纤维的复合材料薄壁结构的主动变形分析

建立了具有主动SMA材料的各向异性单闭室薄壁截面梁的二维截面分析模型;SMA纤维沿任意β角铺设,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测;基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式。由建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向反对称刚度配置特殊情形并给出了简化的本构方程。数值研究结果表明:相变期间空心悬臂梁在SMA纤维驱动下产生较为显著的弯曲变形和扭转变形。调节SMA纤维的激励温度、改变复合材料铺层角、改变SMA纤维的含量和SMA的初始应变都能明显改善SMA的变形驱动性能。

基于复合材料薄壁结构的转子叶片非线性气弹时域响应分析

阐述了基于复合材料薄壁梁结构的风力机转子叶片非线性气弹响应分析方法。结构是基于不同刚度系数的挥舞和扭转组成的弯-扭耦合模型,而非线性气动力的计算采用非线性ONERA模型。在Galerkin法基础上,利用片条理论分解了非线性气动力的积分项,构建了结构和气动力相结合的非线性微分方程组,给出了分析非线性气弹响应的方法,并基于小范围近似法进行了线性化,研究了线性化后的时域响应,给出了基于线性化后的时域响应进行稳定性分析的方法。

复合材料层合薄壁短圆柱壳动力学相似模型几何适用区间确定方法

针对旋转复合材料层合薄壁短圆柱壳结构的相似试验模型设计问题,提出一种不完全几何相似(畸变)模型的几何尺寸区间确定方法。用动力学平衡方程分析与敏感性分析相结合,建立层合薄壁短圆柱壳模型与原型间的相似关系,通过对导出的三种固有特性相似关系进行修正,得到层合圆柱壳动力学相似关系。以一种常用复合材料层合薄壁短圆柱壳为例,在深入研究使模型与原型在固有特性相似(即固有频率成比例映射关系、且振型保持一致)时,畸变模型的几何尺寸适用区间确定方法的基础上,利用数值分析方法,最终得到复合材料层合薄壁短圆柱壳模型和原型在不同阶次下,固有特性相似的畸变模型几何结构适用区间及其边界函数的确定方法。该研究结果为旋转层合薄壁短圆柱壳的动力学相似模型设计问题奠定了理论基础。

单箱多室复合材料薄壁箱形梁的纯扭转分析

将单箱单室复合材料箱形梁纯扭转的分析方法拓展到单箱多室.结合经典的薄壁梁理论与复合材料理论,通过换算将层合材料离轴刚度等效为扭转刚度,对单箱中的各室建立剪力流方程,与扭矩平衡方程联立求解.通过算例将该方法与有限元法进行比较,各项应力的计算结果均相符,尤其是采用该方法计算得到的扭转产生的剪应力精度更高.采用该方法计算所得的各项应力均能满足实际工程设计的需要.

SMA纤维混杂复合材料箱型薄壁悬臂梁的固有频率

研究SMA纤维驱动下的复合材料箱型薄壁悬臂梁的固有振动频率特性。根据SMA主动纤维复合材料箱型悬臂梁的横截面二维分析模型,采用Hamilton原理导出具有拉伸-扭转-弯曲变形耦合的梁的自由振动偏微分方程组。由上述一般的弹性耦合振动方程出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置等特殊情形,并且给出拉伸-扭转耦合、弯曲-扭转耦合固有振动频率的精确解。通过数值计算,分析了SMA纤维在激活状态下对复合材料箱型薄壁悬臂梁固有频率的影响机理。

切点数对复合材料薄壁管径向变形的影响

本文研究了缠绕线型中切点数对复合材料薄壁管径向变形的影响。首先利用ANSYS软件进行了理论分析,然后制作复合材料薄壁管进行了试验对比。理论分析和试验研究表明:随着切点数的增加,复合材料薄壁管径向变形会迅速降低,从6切点数开始,径向变形随着切点数的增加变化趋于稳定。

旋转复合材料薄壁轴的不平衡非线性弯曲振动

研究几何非线性复合材料薄壁轴在偏心激励作用下的非线性振动特性。在轴的应变位移关系中引入Von Kármán几何非线性,基于Hamilton原理和变分渐进法(VAM)导出复合材料传动轴的拉-弯-扭耦合非线性振动偏微分方程组。为了着重研究轴的横向弯曲非线性振动特性,在上述模型中忽略轴向变形和扭转变形,得到轴的横向弯曲非线性振动偏微分方程,其中考虑了黏滞外阻和内阻的影响。采用Galerkin法,将偏微分方程转离散化为常微分方程,在此基础上利用四阶Runge-Kutta法对常微分方程组进行数值模拟,获得位移时间响应图、相平面图和功率谱图,研究了外阻、内组、偏心距和转速对非线性振动响应的影响,发现旋转复合材料薄壁轴存在混沌运动。

双闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼细观分析

研究双闭室复合材料薄壁梁的结构阻尼特性。基于单层混杂材料的细观力学阻尼计算方法和多胞模型,分别获得单层复合材料的等效阻尼特性和等效弹性特性;基于变分渐进法(VAM)和Hamilton原理,建立双闭室复合材料薄壁梁振动方程;采用Galerkin法对薄壁梁进行自由振动分析;在获得薄壁梁振动模态矢量的基础上,根据最大应变能理论,对薄壁梁的模态阻尼性能进行预测,并且将阻尼预测的结果与现有的有限元计算结果进行对比,验证了该阻尼分析模型的有效性。进一步针对四种种构型双闭室复合材料薄壁箱形梁,进行阻尼计算,揭示了纤维铺层角和纤维含量的影响。

计及剪切变形的复合材料薄壁梁的阻尼分析模型

为精确描述阻尼对复合材料薄壁结构动力学特性的影响,提出一个计及剪切变形的复合材料薄壁梁的结构阻尼分析模型。基于改进的变分渐进法(VAM)描述复合材料薄壁梁的位移和应变,采用Hamilton原理导出Timoshenko梁的自由振动偏微分方程,采用Galerkin法将偏微分方程化为常微分方程,通过求解复特征值问题得到梁的模态阻尼。将阻尼计算结果与现有文献的有限元阻尼计算结果进行比对,验证了本文模型的有效性。通过算例分析得到圆截面薄壁复合材料梁的阻尼数值计算结果。研究表明,不考虑剪切变形将会得到偏高的阻尼预测结果。此外,采用的铺层方式不同,产生最大阻尼的纤维铺层角也将有所不同。

复合材料薄板的成型固化收缩变形研究

本文在满足结构强度和刚度要求的前提下,通过对薄壁复合材料制品的铺层材料设计和制备工艺设计来减少制品的收缩变形。对不同方案进行了对比试验并采用三维有限元加以分析,试验结果与计算结果吻合。

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。