轻质量低成本无人机舵面结构优化与验证

复合材料蜂窝夹芯结构因其高比强度、比模量及可设计性而广泛应用于航空飞行器结构。文章提出了1种轻质量、低成本舵面结构方案——通过增大蜂窝芯密度使其剪切模量提高,进而降低复合材料面板应力水平,减小面板厚度。首先,根据理论选择通过增大蜂窝密度提升蜂窝剪切模量;然后,对结构进行有限元计算与分析,发现蒙皮应力水平随蜂窝芯剪切模量增大而显著降低;最后,设计不同蜂窝芯密度的蜂窝夹芯结构进行试验。试验结果证明,蜂窝芯越致密,其典型力学性能越高,冲击后的剩余强度也越高。

一种模拟铝合金与CFRTP界面反应过程的计算方法

铝合金与碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic composites,CFRTP)是兼具高性能与环境友好型的轻量化材料。针对铝合金与CFRTP异种材料的连接机理问题,提出了一种模拟界面反应过程中吸附能的计算分析方法,采用量子力学和分子动力学方法,在分子水平上研究异材界面的结合方式和微观作用机制。利用Materials Studio和LAMMPS商业计算软件,根据第一性原理优化确定高分子与金属铝晶面化学键的结合方式,能够获得键长、电子转移、态密度等微观数据。以6061铝合金与碳纤维增强PA66复合材料连接为例演示了计算过程,建立金属Al晶面模型、聚合物PA66稳定结构模型、PA66与Al(011)晶面键合模型,获得两相物质界面的化学键结合方式、化学键性质和体系的稳定性。该方法可推广应用于其他轻量化金属材料与CFRTP的连接问题,为连接界面设计及成型工艺优化提供理论指导。

轻钢龙骨-铝蜂窝复合墙板对钢框架结构抗震性能影响研究

提出了一种以铝蜂窝复合板作为覆面板的新型轻钢龙骨复合墙板结构,为探究其对钢框架结构抗震性能的影响,对钢框架-轻钢龙骨-铝蜂窝复合墙板试件进行了拟静力加载试验;对加载过程中复合墙板的开裂、破坏情况以及结构的整体破坏形态等进行了分析,探讨了钢框架-轻钢龙骨-铝蜂窝复合墙板结构在单调荷载作用下的抗震性能。另外,通过有限元软件MSC.Marc平台对试件进行数值模拟分析,以校核有限元模型并确定复合墙板抗侧刚度计算参数;对实际的4层钢框架结构建模并开展时程分析,考察添加复合墙板前后钢框架结构的最大层间位移角以及基底总剪力时程变化情况,分析了复合墙板对钢框架结构地震响应的影响。结果表明,由于复合墙板的影响,钢框架结构的抗侧刚度有所增加,周期有所减小,进而导致地震响应有所增大;但地震响应增大幅度不及增加的抗侧刚度,所以各层最大层间位移角仍普遍有所减小,均满足限值要求。

钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能研究

鉴于泡沫铝材料优异的吸能特性和夹层结构在强度、刚度上的优势,提出了分层结构为钢板-泡沫铝芯层-钢板的抗爆组合板。对厚度为10 cm、7 cm和5 cm的组合板进行了5组不同装药量的爆炸试验,考察了各板在不同装药量爆炸条件下的变形及破坏情况,并对变形破坏过程进行了理论分析。研究表明:组合板承受爆炸冲击荷载时,通过局部压缩变形和整体弯曲变形吸收能量。钢板相同时,适当增大泡沫铝芯层厚度,增强面板与芯层间连接,可提高该组合板的抗爆性能,防止组合板发生剥离,减小其承受爆炸冲击荷载时产生的变形。

“蜂窝-柱子”芯夹层轻量型仿生物复合材料结构

为了设计开发轻量型仿生复合材料, 通过对独角仙前翅内部微细结构及其成因的分析探讨, 提出了一种蜂窝柱子芯轻量型复合材料的三维结构模型, 并列举了若干可能的设计思路, 同时简述了这种仿生结构的优点及其应用前景。分析结果表明: 独角仙整个前翅内部存在完整的网状小柱结构, 这种网状结构由气囊构成,呈现出生物界的不规则性、多样化, 但可认为大多为类似于蜂窝状的多边形结构。

轻型反射镜镜体结构参数的分析

从理论上计算了空间遥感相机常用的四种镜体材料—ULE、Zerodur、铍(Be)和碳化硅(SiC)的结构参数。根据计算结果比较了这几种材料的性能,最后比较了两种轻型反射镜结构—对称夹心结构和底面开口结构。理论计算表明:SiC是较优异的空间用反射镜材料,对称夹心结构是较理想的镜体结构。根据理论计算所得结构参数并结合实际制作了直径为500 mm的对称夹心结构碳化硅质轻型镜体。

粘接界面泡沫铝夹芯板的三点弯曲失效数值模拟

对粘接界面泡沫铝夹芯板三点弯曲载荷下的变形特性进行了实验和数值模拟方面的研究。基于有限元软件ABAQUS建立了泡沫铝夹芯板的三维有限元模型,应用内聚力模型对三点弯曲过程中典型的破坏模式——面板与芯层的界面脱粘给予了合理的模拟,模拟所得的结果与实验结果比较吻合。并在此基础上分析了面板和芯层厚度对夹芯板承载能力和吸收能量能力的影响。结果表明,增加芯层的厚度能够更大程度上提高泡沫铝夹芯板的承载能力和吸收能量的能力。

爆炸载荷下层级蜂窝铝夹芯板的动力响应分析

通过在正六边形蜂窝结构的节点上增加次级六边形蜂窝结构,形成一种层级蜂窝芯层结构,利用LS-DYNA有限元软件分析了层级蜂窝铝夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应和吸能特性,研究了载荷与芯层构型对结构变形和能量吸收的影响,并与传统蜂窝铝夹芯板进行了对比.结果表明:在所研究的范围内,当载荷较小时,传统蜂窝铝夹芯板的后面板挠度较小;当载荷较大时,多层级蜂窝铝夹芯板的后面板挠度较小,抗冲击能力较好,并且这种优势随着载荷的增加愈加明显;改变芯层层级参数对结构后面板挠度的影响较小,但对芯层比吸能有较大的影响,当层级参数为0.1时,芯层比吸能最高.

铝蜂窝夹层板正交结构件的制造方法

介绍了铝蜂窝正交结构板件的选材、固化工艺及胶接成型过程、影响胶接的主要因素及相关工艺要求。

泡沫铝填充结构自卸车副车架有限元分析

副车架是自卸车众多部件中重要部件之一,它的性能好坏直接影响着整车的性能与寿命。为了提高汽车的节能环保性、安全性和舒适性,以轻量化设计为理念,设计了泡沫铝填充结构自卸车副车架,采用有限元仿真分析的方法分析了泡沫铝填充结构自卸车副车架的静动态特性。结果表明,在结构设计合理的情况下,与原型副车架相比,其重量减轻了8.72%,最大应力与最大位移分别减少了2.89%与5.62%,随机路面沿Z方向上的振动位移与振动加速度分别减少了30.9%与44.4%,表明泡沫铝填充结构自卸车副车架不仅能够实现汽车轻量化从而达到节能环保的目的,亦能够提高车辆的安全性和乘坐舒适性。研究结果可为提高汽车环保性、安全舒适性及拓展泡沫铝这种新型结构功能材料在汽车制造业中的应用范围提供参考。

铝蜂窝夹芯结构抗爆性能仿真分析与优化

利用CONWEP计算模型对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了有限元分析,以背板最大变形和夹芯层比吸能作为抗爆性能指标,根据不同基体材料的组合结构建立了铝蜂窝夹芯结构的基准模型.基于基准模型,定量研究了铝蜂窝夹芯结构各部分结构参数和蜂窝胞元类型对其抗爆性能的影响规律.结果表明面板材料采用Al2024T351,背板材料采用RHA的组合结构具有良好的抗爆性能;相比于背板厚度变化,面板厚度的变化对铝蜂窝夹芯结构抗爆性能指标的影响更显著.应用构建代理模型的方法对铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能进行了多目标优化设计,使铝蜂窝夹芯结构的抗爆炸冲击波性能得到了明显改善,这对抗爆结构的工程设计有一定指导意义.

激光焊接Ⅰ型钢质三明治板的研究进展

随着我国"一带一路"倡议和"海洋强国"战略的实施与推进,激光焊接Ⅰ型全钢三明治板作为一种新型轻质高强结构板,在海洋平台和船舶轻量化领域有着广阔的应用前景。激光焊接T型接头是Ⅰ型三明治板面板和芯板的连接部分,同时因T型接头的焊接缺欠对整体板承载能力的弱化使其成为最薄弱区。分析了近十年关于Ⅰ型钢质三明治板及T型接头的研究,往从制备方法、性能评定、结构优化等方面开展大量试验研究、数值计算和理论研究,以减轻舰船重量,提升航行速度,降低设计周期及成本,从而推进Ⅰ型钢质三明治板在舰船轻量化方面的应用。

泡沫铝填充结构大型齿轮优化设计及其性能分析

为探讨大型齿轮传动装置轻量化及减振降噪新途径,以某矿用减速器大型齿轮为研究原型,初步设计了泡沫铝填充结构齿轮.以扭转刚度满足使用要求为约束条件,以降低齿轮的质量并提高其动态特性为优化目标,对泡沫铝填充结构齿轮进行优化.对三种齿轮的前5阶模态进行仿真分析,对其降噪性进行实验研究.结果表明,与原型齿轮相比,优化后和初始设计的泡沫铝填充结构齿轮的前5阶振型固有频率均有所提高,最大提高量分别为16.1%和1.9%;而振幅均有所降低,最大降低量分别为10.0%和5.4%;相同转速情况下前两种齿轮的传动噪声均较后一种齿轮的传动噪声有所降低,最大降低量分别为11.1%和5.5%.前两种齿轮的质量分别较后一种齿轮减轻10.92%和15.93%.证明了泡沫铝填充结构齿轮在提高大型齿轮轻量化和减振降噪特性方面的有效性.

用于航天电子设备的PMI泡沫夹层结构力学性能试验验证

针对应用于空间站的我国首个航天综合一体化电子系统设备的减重需求,通过试验验证了碳纤维/PMI/碳纤维、铝合金/PMI/铝合金2种PMI泡沫夹层结构的物理及力学性能,并与航天电子设备中常用的铝合金、碳纤维结构进行对比分析。研究表明,相比于铝合金结构,PMI泡沫夹层结构具有显著的减重效果以及良好的阻尼和比刚度特性,平均减重比约为40%,力学响应量级降低了40%~50%,为空间站电子设备的轻量化设计奠定了基础。

钢铝混合开卷落料线探讨与应用

简单分析了近年来铝合金材料在汽车工业中的应用发展趋势以及应用中遇到的部分问题,列举铝合金板材加工设备与常规碳钢板加工设备的区别,介绍了一种适用多种原材料的钢铝混合开卷落料线。

铝质易拉罐轻量化的技术手段

铝质易拉罐轻量化不仅可以为企业降低成本,提高市场竞争力,而且可以减少优质铝合金材料的消耗,大大节约资源。详细分析了三种轻量化的技术手段及可操作性:一是减薄罐体壁厚;二是缩小罐体口部尺寸;三是减薄板厚与罐底结构优化并重,指出减薄板厚与罐底结构优化并重的技术手段是轻量化的必然趋势。并利用有限元模拟,对影响罐底部耐压力的结构参数提出优化措施。

铝三明治复合板结构的优化设计

运用基于有限元法的优化设计方法,以上下面板厚度为设计变量,由新型铝三明治复合板结构为主构成的高速车辆车顶为对象,进行结构轻量化灵敏度分析和优化设计研究,获得了上下面板的优化厚度值分别为1.1或1.0mm和1.0或0.9mm。研究表明,对于轻量化的复合板结构,采用不等厚度的上下面板设计有利于改善整体结构的应力和刚度特性。

轻质钢筋混凝土夹芯板结构体系的应用研究

轻质钢筋混凝土夹芯板结构体系是适应我国墙改政策、可以完全取代砖混体系的一种新型结构体系.文中介绍了轻质钢筋混凝土夹芯板的结构组成、主要构件的构造设计.通过对比分析表明:轻质钢筋混凝土夹芯板结构体系比相同布置的砖混体系造价降低,使用面积增加,能耗大大降低.

闭孔泡沫铝夹层结构应用技术研究

以孔隙为特征的超轻型金属结构具有特殊的物理和机械性能组合,如轻质和高比强度的结合,正成为当今研究的热点。轻量化的需求使得具有更高比强度、比刚度的泡沫铝成为发展的重点。文中针对闭孔泡沫铝夹层结构进行应用技术研究,解决了采用该结构代替铝合金7075制造某天线安装板的技术问题,在满足力学性能的情况下实现了天线安装板减重54%。

碳环氧蒙皮铝蜂窝夹心结构缺陷红外热波成像检测研究

针对人造卫星碳环氧蒙皮铝蜂窝夹心结构承力筒典型缺陷对无损检测技术的迫切需求,提出采用正弦调制热流激励的红外锁相热波成像检测技术对该类型材料开展检测试验研究。建立了调制热流作用于材料的三维热波扩散模型,并采用有限元方法分析了缺陷尺度对热波特征的影响。研制了红外锁相热波成像检测系统,针对预制平顶孔模拟脱粘缺陷的碳环氧蒙皮铝蜂窝夹心结构开展试验研究。分析了调制参数与缺陷尺度对热波幅频-相频特性的影响。制定了红外锁相热波成像针对于碳环氧蒙皮蜂窝夹心结构缺陷识别判据,根据判据可得,锁相热波成像检测方法的相位特征可以准确识别大于等于Φ10mm的预制缺陷,同时当环氧板蒙皮厚度小于1.0mm时,可以识别Φ5mm的脱粘缺陷。