风力机叶片截面主刚度系数与横向剪应力分析

针对风力机复合材料叶片弯曲与扭转刚度计算,以及当叶片在横向剪力作用下对空心薄壁截面上剪应力的数值计算方法进行研究。现代风力机叶片呈细长扭曲形,翼型截面为薄壁且内部拓扑构型复杂,材料具有各向异性。在应用各类梁模型进行叶片气弹计算和强度校核等力学分析时,叶片截面的刚度系数和截面剪应力分布是必需参数。基于复合材料薄壁结构层合理论和加权平均方法,结合Bredt-Batho剪力理论,考虑了复合材料叶片的剪切腹板效应和翘曲效应,建立了复合材料层合板等效弹性常数与截面刚度系数数值分析算法;根据弹性力学板壳理论,考虑横向剪切和截面翘曲对截面变形的影响,建立了横向剪力引起的剪力流数值计算方法,并开发了相关算法的Matlab程序。分析10 MW风力机叶片主刚度系数和剪力流分布,并对比文献结果,验证了模型的正确性和算法的有效性。

Dynamic and electrical responses of a curved sandwich beam with glass reinforced laminate layers and a pliable core in the presence of a piezoelectric layer under low-velocity impact

The dynamic responses and generated voltage in a curved sandwich beam with glass reinforced laminate(GRL)layers and a pliable core in the presence of a piezoelectric layer under low-velocity impact(LVI)are investigated.The current study aims to carry out a dynamic analysis on the sandwich beam when the impactor hits the top face sheet with an initial velocity.For the layer analysis,the high-order shear deformation theory(HSDT)and Frostig's second model for the displacement fields of the core layer are used.The classical non-adhesive elastic contact theory and Hunter's principle are used to calculate the dynamic responses in terms of time.In order to validate the analytical method,the outcomes of the current investigation are compared with those gained by the experimental tests carried out by other researchers for a rectangular composite plate subject to the LVI.Finite element(FE)simulations are conducted by means of the ABAQUS software.The effects of the parameters such as foam modulus,layer material,fiber angle,impactor mass,and its velocity on the generated voltage are reviewed.

轴向可伸缩悬臂复合材料层合板的建模及数值分析

论文研究了受面内激励和三阶气动力联合作用下的可伸缩悬臂复合材料层合板的非线性振动问题.根据经典层合板理论和Hamilton原理建立可伸缩悬臂复合材料层合板在匀速轴向外伸和回收过程中的非线性动力学偏微分方程,然后采用Galerkin方法将偏微分方程离散成带有时变系数的常微分方程,通过数值方法得到频率变化图、时间历程图和相图,讨论轴向移动速度、宽厚比对可伸缩悬臂复合材料层合板的动力学特性的影响.结果表明,可伸缩悬臂板匀速外伸时,轴向速度越大可能越易出现振幅发散,回收过程未发现振幅发散现象.

柔性压电智能反射面的静态形状控制

建立了柔性压电智能反射面系统的有限元模型和优化控制模型,给出了结构力学建模和形状控制方法以及相应的优化算法。首先,将蜂窝夹层结构的压电智能反射面等效为多层复合板;基于Kirchhoff假设和经典层合板理论,根据虚功原理推导了柔性压电智能反射面的有限元方程;采用蜂窝等效理论计算了反射面蜂窝夹芯等效弹性模量,有限元模型中的单元为四节点四边形压电板单元,每个作动器单元中引入额外的电势自由度。然后,根据建立的有限元方程,推导了反射面变形均方根误差与作动器控制电压的关系式;以均方根误差最小为优化目标,建立了柔性压电智能发射面的静态形状控制优化模型;采用Lagrange乘子法处理了压电作动器工作电压的限制。最后,用提出的方法分析已有模型并验证建模方法。以600mm口径的平面柔性智能反射面为例,验证了采用压电陶瓷贴片对反射面静态形状控制的可行性及优化算法有效性。仿真结果表明:通过控制压电陶瓷贴片作动器,可以使反射面的静态形状误差减小97%以上,而且作动器的控制电压均在极限电压范围内。

经典层合板刚度模型在胶合板中的应用

根据胶合板结构特点及速生杨木单板的面内弹性常数预测模型,将复合材料经典层合板理论的刚度模型应用于胶合板类人造板。模型验证实验中,在表、背单板上正交铺设浸渍纸,使用电阻应变片可测得试件在受轴向拉伸或纯弯曲载荷时上、下表面的应变εx和εy,对部分柔度系数的实验值和模型理论值进行了验证。结果表明:刚度模型能较好地预测胶合板的刚度值,经典层合板理论刚度模型可以用于描述胶合板的刚度问题。

无限大正交加筋层合板的隔声性能分析

基于经典层合板理论,计及加强筋弯曲及扭转运动影响,建立无限大正交加筋层合板传声损失的理论模型.采用空间谐波展开和虚功原理的方法,推导出正交加筋层合板的传声损失计算公式,并将计算结果与简化模型和板梁组合模型的计算结果进行对比,结果吻合良好,验证了所建模型的有效性及广适性.最后,数值分析了层合板铺设方式、铺设角度、刚度、材料损耗因子和加筋间距等参数对结构隔声性能的影响.

多向纤维缠绕玻璃钢管的轴向压缩性能

以经典层合板理论为基础,通过Matlab语言编程,建立了多向纤维缠绕管的力学分析模型,预测出了轴向压缩强度;并分别对多个试样进行了轴向压缩力学性能测试。结果表明:测试结果与理论预测结果吻合较好;添加轴向增强层(即0°纤维层)试样的轴向力学性能得到了明显改善。

胶合板湿变形预测模型

为提高木质复合材料可设计性,根据经典层合理论,建立层合结构木质复合材料湿变形计算模型。以不对称结构的胶合板湿变形为例,考虑到单板压缩率、涂胶量等工艺对单板湿胀系数和弹性性能,以及含水率对单板弹性性能的影响,计算得到翘曲湿变形理论值。同时对不同结构胶合板进行等温增湿实验,并对模型进行验证。结果表明,所建湿变形计算模型能正确判断胶合板翘曲变形方向。

无限大单向加筋层合板隔声性能研究

基于经典层合板理论,计及加强筋弯曲及扭转运动影响,建立无限大单向加筋层合板在平面声波激励下的声透射理论模型;应用空间谐波展开与虚功原理,推导出单向加筋层合板传声损失公式,并与解析解及简化模型计算结果对比,验证所建模型的精度及有效性;系统研究特征参数对加筋层合板结构隔声性能影响。研究表明:增加层合板铺设角度对结构隔声性能不利,材料损耗因子只影响结构共振频率处隔声性能;增大加强筋间距,加筋层合板结构低频段隔声性能下降明显,但全频段隔声性能有所改善;声波入射角度对单向加筋层合板隔声性能影响显著,结构对垂直入射声波隔声效果最好。

多层多向织物复合材料力学性能分析

基于多层多向织物复合材料的细观结构,将多层多向复合材料中不同走向的纤维束看作单向复合材料,将具有不同材料主分的单向复合材料的刚度矩阵通过体积平均得到单层复合材料的刚度矩阵,再基于层合板理论通过各单层复合材料刚度得到多层多向立体织物复合材料的总体刚度矩阵,从而得到其工程弹性常数。基于所得的复合材料总体刚度矩阵,利用ANSYS对多层多向复合材料和层合复合材料的变形进行了模拟。通过对比模拟结果发现,多层多向复合材料具有更好的面内性能,多层多向复合材料的最大应力值约为层合复合材料的1/2。

纤维金属层板金属层应变测量及应力预测方法

纤维金属层板作为一种新型复合材料,已开始应用于航空航天领域。脱离传统应变测量方法,应用一种新测量方法——数字化光学应变法,实现了层板中金属层应变的测量;同时以子层刚度理论获得层板的等效刚度矩阵,修正经典层板理论中整体刚度矩阵的求解方法,实现了金属层应力的更准确预测。以纤维增强铝锂合金2/1及3/2层板为例,使用光学应变法测量其金属层应变进而计算金属层应力,利用有限元仿真分析、经典层板理论及修正方法分别对其进行金属层应力预测。通过对比光学应变测量结果和有限元仿真结果,2/1及3/2层板光学应变测量结果与仿真结果最大误差分别为2.12%和3.68%,验证了新测量方法的准确性及实用性;通过对比光学应变测量结果和层板理论预测结果,2/1及3/2层板模型修正后结果比修正前准确率分别提升了2.91%和5.83%,验证了修正模型的有效性及先进性。

三维编织隐层复合材料纵向模量的预测

在建立三维编织隐层复合材料代表性体积单元的基础上，通过改进经典层合板理论，推导出了复合材料的面内纵向模量预测公式．

平面编织复合材料细观力学分析的一个双向直波纹模型

作为对平面编织复合材料弹性性质预测的单向直波纹模型的改进、本文提出一个双向的,在经线和纬线方向上均衡的直波纹模型,它更为符合编织复合材料微结构特点。采用这个新模型和经典层板理论、通过对模型上、下表面的两种极限约束条件,予测了平面编织复合材料层板弹性常数的界限.结果表明、这个模型所予测的值更为准确、合理。

湿效应对竹木复合材料刚度性能的影响

首先根据经典层合板理论和一阶剪切变形理论的基本假设,建立起相关的位移模式,进一步推导出考虑湿效应下竹木复合层合梁的势能函数表达式,然后运用材料力学的等效梁理论推导出考虑湿效应下的竹木复合层合梁的等效弹性模量。比较了不同理论下湿效应前后的等效弹性模量与弯曲变形。研究表明,吸湿比例达30%时,竹木复合材料的等效弹性模量损失逾一半,而同样载荷下弯曲变形则是原有的2倍。

计入横向剪切变形时层合板位移差分解法

在考虑横向剪切变形对层合板弹性解的影响时，本文提出一种数值计算方法。由边界条件给出边界结点位移的表达式，根据薄板的经典理论和一阶横向剪切变形理论导出位移增量所满足的平衡微分方程，引用经典理论计算的横向剪力修正了荷载列阵。致使在较粗的网格划分时、宽广的层合板长厚比范围内，仍能得到与解析解颇为一致的数值解。

强化复合地板刚度预测

应用复合材料经典层合板理论,分析了强化复合地板刚度计算,并使用电阻应变片测得试件在受轴向拉伸或纯弯曲载荷时,其上、下表面的应变εx和εy,从而对柔度系数的实验值和预测值,正则化柔度系数与弹性常数进行了验证。结果表明,预测值与实验值相对误差较小,建立的强化复合地板刚度计算模型能较好地符合实际情况。

变刚度多稳态复合材料结构设计与性能分析

通过研究复合材料层合板结构局部纤维角变化的理论模型与刚度变化的关系,设计2种变刚度多稳态复合材料层合板结构.对变刚度多稳态复合材料结构进行建模,运用Matlab求出不同的平衡方程解,得到变刚度多稳态复合材料结构的稳态构型.制备相应的实验试件,测量变刚度多稳态复合材料结构不同稳态转变时的力学性能,通过有限元软件Abaqus模拟变刚度多稳态复合材料结构的降温冷却过程,得到平衡稳定状态的数值解.结合理论、数值与试验,分析变刚度多稳态复合材料结构的稳态构型、稳态转变最大载荷及载荷-位移曲线的变化规律.

复合材料多向层合板刚度计算软件的研制

介绍了ＣＴＴ的基本概念和ＣＬＴ软件的基本构成与特点，给出了ＣＬＴ的算法，并列举了一个典型例子，用以验证软件的正确性，最后提出了软件的优化方案。

基于实验的平面编织层合板拉伸性能预测

本文的目的在于获得含有(±45°)和(0/90°)铺层的平面编织复合材料弹性模量和破坏强度的预测方法。分别取(±45°)和(0/90°)两种铺层方向的试样做拉伸试验,获得这两种铺层方向的弹性模量、破坏强度和最大应变等力学性能数据。利用本文提供的公式获得不同铺层比例的层合板的弹性模量和破坏强度。该结果与试验结果、层合板理论计算结果进行了对比,都比较吻合。与经典层合板理论计算结果相比,该方法需要输入的数据少,方法简单,考虑到实际工艺情况,可以代替经典的层合板理论应用到初步设计中。

平纹编织C/SiC复合材料层合板偏轴拉伸性能研究

通过理论和试验方法,分析了平纹编织C/Si C复合材料的偏轴拉伸性能。在室温下进行(0°/90°)和(±45°)、(30°/60°)试件的轴向拉伸试验和(0°/90°)试件的面内剪切试验。结果表明,材料的面内力学性能与材料纤维的方向角有明显的关系。经典层合板理论在初始低应力阶段仍然适用于平纹编织C/Si C复合材料,但随着载荷的增大,由于拉剪损伤耦合效应的影响,计算的应力-应变曲线逐渐偏离试验曲线。根据试验数据,给出了拉剪耦合的影响公式,对经典层合板理论模型进行修正,由修正后模型得到的计算应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。