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。

用于AGS结构分析的混合法

结合均匀化模型和加筋单元模型构造了一种混合模型用来分析复合材料格栅加筋板/壳结构(AGS)。所构造的加筋单元模型是一种高性能协调转角独立加筋板壳单元,保持了肋骨和蒙皮位移场的协调性,同时还满足肋骨和蒙皮具有独立转动条件,该单元中肋骨的方向和位置任意。混合法具有精度高、速度快等特点。通过典型算例讨论了肋骨间距和高度对均匀化模型计算结果精度的影响,通过对带孔复合材料AGS板孔边特殊点应力值的分析证明了混合法的有效性。

含分层损伤的复合材料格栅(AGS)板的非线性热屈曲分析

采用基于复合材料一阶剪切效应理论的有限元法分别研究了含分层损伤的复合材料层合光板、单向加筋板和格栅加筋(AGS)板的热屈曲性态。在分析中考虑材料热物理性质与温度相关特性,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。3种结构的典型算例分析和结果的比较表明,复合材料格栅(AGS)板具有很强的抗热屈曲的能力,但是,分层损伤将使其临界温度降低,同时还会导致热屈曲的模态发生改变。本文中提出的方法和所得结论对AGS结构的热承载能力预测和损伤容限设计将具有参考价值。

含分层损伤AGS起裂和扩展过程数值模拟

建立了在压缩荷载下先进复合材料格栅加筋结构(AGS)后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程的数值模拟方法.首先,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;其次,采用总能量释放率准则,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;最后,应用OpenGL实现了分层损伤的扩展动态可视化过程.通过典型算例,讨论了肋骨与分层中心的相对位置,以及蒙皮的铺层方式对AGS结构的分层起裂和扩展过程的影响.所提方法和所得结论对AGS结构的承载能力预测将具有参考价值.

先进复合材料AGS结构损伤扩展分析

基于精细加筋单元模型提出了一种用于先进复合材料格栅加筋(AGS)结构的损伤启始和扩展分析方法。该方法同时考虑了层内损伤和层间损伤,其中,层内损伤包括蒙皮纤维破坏、蒙皮基体开裂、蒙皮纤维-基体剪切破坏以及肋骨纤维破坏,而层间损伤为蒙皮分层损伤。对于层内损伤采用材料常数退化准则;而对于分层损伤,提出了一种新的等效刚度退化准则。通过典型算例证明了该损伤模型用于AGS结构分析的有效性,并详细分析了中心含孔复合材料正交各向异性格栅加筋曲板和光板在轴压下的损伤扩展机理和行为。计算结果表明,蒙皮层内损伤往往先于分层损伤发生并扩展,纤维-基体剪切破坏在45°铺层扩展速度最快,分层损伤区域极易发生局部蒙皮失稳。

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。

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。

基于累积失效法的含损伤格栅加筋板非线性屈曲状态分析

分别采用基于Mindlin一阶剪切理论八节点层合板单元和三节点层合梁单元来模拟蒙皮和肋骨,用累积失效法研究了在压缩载荷作用下蒙皮内含分层损伤复合材料正交格栅加筋板的非线性屈曲性态,分析中考虑了加载过程中蒙皮和肋骨纤维断裂、基体损伤和纤维-基体剪切失效造成的刚度退化,并采用了非线性接触单元模型处理蒙皮分层上下子板间的接触效应。通过典型算例,讨论了蒙皮铺设方式、蒙皮分层的面积和深度、肋骨与蒙皮的刚度比,累积失效行为等因素对格栅加筋板非线性屈曲性态的影响。

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。

平板型复合材料格栅结构载荷重构研究Ⅰ:前向响应模型

先进复合材料格栅结构(AGS)在航空、航天结构工程中有着广泛的应用前景。本文作者针对低速冲击载荷作用下先进复合材料格栅结构的载荷重构进行了研究。本文中研究了平板型复合材料格栅结构在横向低速冲击载荷作用下的前向响应近似模型。考虑AGS板蒙皮/肋的弯剪耦合效应和截面偏心距e,对平板型复合材料格栅结构的等效刚度模型进行了改进。基于改进的等效刚度模型和非对称Mindlin板理论,建立了平板型格栅结构的前向响应近似模型及其状态空间表达式,应用傅立叶展开求解了低速横向冲击载荷作用下的结构响应,并通过数值试验验证了该方法的实用性与可靠性。该部分研究将为平板型复合材料格栅结构的载荷重构Ⅱ:逆向重构的研究提供前提条件和理论基础。

平板型复合材料格栅结构载荷重构研究--Ⅱ：反演模型与验证

将最优化方法应用到复合材料格栅板的载荷重构中,基于文献[11]所建立的前向响应模型,通过构造误差性能指标J表征前向响应模型与实测响应的差,将载荷的反演转换为所定义误差性能指标极值条件的获取,应用平滑算法对指标J的极值进行了求解;并借助分布式响应的功率梯度云和指标J极值点的搜索给出了一套由粗到精的载荷定位方法,实现了AGS板的载荷时程和载荷位置的同时重构。算例与实验研究表明,本文方法具有较高的反演精度和鲁棒性,从而为AGS的工程应用提供了必要的技术储备。

铺丝成形复合材料格栅筋条的纤维形态与弯曲性能评价

为进一步提高复合材料格栅筋条结构承载效率,提出了基于“剪断-续铺”的格栅节点纤维形态调控方法,采用显微观察、有限元仿真、试验验证的手段,研究了不同剪断续铺层含量和分布位置对复合材料格栅节点处纤维形态和格栅筋条弯曲性能的影响。结果表明,复合材料格栅筋条铺丝成形过程中,合理的非连续铺层在提高筋条极限弯曲载荷的同时,还会在其内部引入伪韧性弯曲行为。仿真结果与试验结果误差小于8%,具有良好的一致性。利用建立的有限元模型分析了含非连续铺层的格栅结构失效机理。综合分析非连续铺层对格栅节点纤维形态、格栅结构弯曲载荷承载能力和力学行为的影响,对于常见格栅筋条,其最优的格栅筋条节点非连续层含量为25%且在节点顶部集中分布。

MT300/603复合材料工艺仿真与缺陷控制

从热传导/固化反应和树脂流动/纤维密实两方面对MT300/603复合材料热压罐成型工艺进行仿真分析,研究固化温度、保温时间、加压时机及成型压力对先进网格结构纤维体积含量与内部质量的影响规律,建立工艺改进与缺陷控制措施。通过?1 m网格试件无损检测及轴压破坏实验验证,结果表明:提高成型压力、强化预压实等工艺优化与缺陷控制措施有效,试件的内部质量及承载能力明显提高。

偏置椭球冠状先进复合材料后压力框格栅结构方案

本文研究了偏置椭球方程,改变相关参数可得到不同尺寸和形状的后压力框,得到了一种偏置椭球冠状后压力框外形的确定方法。由某型飞机的尺寸相关要求确定后压力框的外形,采用有限元法对此种形式的后压力框进行内压作用下的应变分析以及外压作用下的稳定性分析,采用局部壳体稳定性分析的研究方法确定加筋基本方案,并对格栅加筋后的后压力框进行外压下稳定性分析,考虑不同加筋形式的影响,最终得出较优的格栅加筋结构方案。

碳纤维复合材料格栅结构的吸波/承载性能研究

论文在复合材料格栅结构的基础上,研究制备了一种新型的吸波/承载一体化复合材料格栅结构。以等格栅为单胞结构,研究了复合材料格栅结构单胞边长和结构高度对格栅结构吸波性能的影响。结果表明,结构高度的增加增强了复合材料格栅结构吸波性能,而单胞边长变化对格栅结构吸波性能的影响较小。除此之外,当结构高度和单胞边长匹配时,获得展宽的复合材料格栅结构吸收频带,最大吸收峰频率为16.2GHz,最大吸收峰反射率为-17.35dB,反射率小于-10dB的频段为11.5GHz～18GHz。三点弯曲单胞名义剪切应力和单胞名义压缩强度分别为5.62MPa和61.5MPa。

格栅非均匀分布效应对复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响

研究格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响。首先,基于格栅间距沿母线方向的变化特征和等效平铺模型推导了格栅加筋圆锥壳体的等效刚度阵。其次,采用Donnell型扁壳理论推导了在均布外压作用下格栅加筋圆锥壳体稳定性分析的总势能表达式,利用最小势能原理得到了该壳体总体稳定性的临界载荷值,所得计算结果与实验结果十分吻合。最后,通过典型数例参数讨论,说明格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响将随底锥角增大而显著。该文将为先进复合材料格栅加筋圆锥壳体的参数优化设计提供一种高效和可靠的分析方法。

复合材料先进网格结构共固化工艺的温度场模拟

基于ANSYS软件开发了用于模拟复合材料固化过程中温度-固化度耦合场变化程序,并分别采用二维和三维有限元模型对复合材料先进正交网格结构的软模辅助共固化工艺过程进行了数值仿真。计算结果分析表明:二维有限元模型不考虑网格结构肋骨交叉点的影响,能以较大时间步长进行共固化工艺的数值模拟,且分析结果具有较高的精度;三维精细有限元模型可考虑肋骨交叉点在共固化工艺中对复合材料先进网格结构内温度-固化度耦合场的影响;肋骨交叉点附近的温度场明显高于结构的其他部位。

温度-机械混合载荷作用下先进复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体的屈曲分析

基于均匀化原理,推导了考虑沿格栅加筋圆锥壳体随母线变化的等效刚度阵和等效热膨胀系数,并采用前屈曲薄膜理论给出了在温度和均布外压载荷作用下格栅加筋圆锥截顶壳体稳定性分析的总势能表达式。基于最小势能原理得到了该壳体总体失稳的临界载荷值解析表达式,对典型复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体的稳定性计算结果与有限元法所得结果相比较,验证了本文中方法的适用性。基于文中提出的方法,通过对不同温度条件下具有不同顶锥角复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体热-力屈曲分析结果的讨论,指出温度对复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体稳定性的影响程度将随其顶锥角增加而增大。

先进格栅增强复合材料结构在软模共固化成型过程中工艺参数研究

先进格栅增强复合材料结构(AGS)软模共固化工艺成型过程是一个包括固化度、温度和应力场等相互耦合作用的复杂历程,工艺参数的选择将直接影响AGS产品的性能。该文以一简单正交AGS板为例,采用有限元分析方法对其软模共固化成型工艺过程进行数值仿真,讨论了工艺间隙、工艺环境和固化制度等对成型工艺过程中预浸料内部固化度,温度和应力场分布规律的影响,并提出了确定相应的工艺参数的意见。论文工作对AGS软模共固化工艺设计具有一定的参考价值。