力/热环境下复合材料薄壁结构的分离动力学分析

基于显式动力学分析模拟了力/热环境下复合材料薄壁结构的分离过程,基于计及不确定性的Chang-Chang失效准则评估了复合材料结构的可靠性,进而探究了气动力载荷和温度载荷对结构分离动力学以及复合材料结构强度可靠性的影响规律。结果表明:气动力载荷及温度的升高均会加速结构的分离过程;高温会显著影响结构脱离时刻的转动角度,进而改变了结构的脱离姿态;系统可靠性随温度载荷的升高而降低。

不确定性动力学系统上随机载荷识别改进算法

针对不确定性动力学系统,提出一种基于随机有限元模型的随机动载荷识别改进算法。假设载荷作用位置和系统随机参数已知,且随机系统参数和随机动载荷均服从高斯分布,利用K-L展开和混沌多项式展开分别表示系统随机参数和随机响应,建立随机系统的动力学方程;依据仅由随机动载荷引起的系统随机响应协方差和仅有系统随机参数引起的系统随机响应协方差之间的关系式,由随机动响应样本识别随机动载荷的统计特性。针对一悬臂梁结构开展数值仿真研究和试验验证。结果表明:所提出的基于混沌多项式展开的识别改进算法比现有的识别算法在方差识别精度上有了较大幅度的提高,该方法在不确定性系统随机水平较高时仍具有较好的识别精度。

铰接式空间桁架结构模态试验研究

铰接式空间桁架结构铰链多、柔性大,其地面环境下的动力学特性较难准确获取。桁架结构地面模态试验易受试验条件的影响。采用锤击法对桁架结构进行模态试验,获得了桁架结构的模态参数,并通过模态置信准则验证了试验结果的可靠性。结合不同试验工况,分析了悬挂条件和拾振点位置对桁架结构模态试验结果的影响。建立了桁架结构有限元模型并进行模态分析,与试验结果进行对比。试验结果表明:降低悬挂附加刚度有利于避免模态耦合;悬挂点均匀对称布置可减轻铰链滑移对结构整体刚度的削弱,提高试验的可重复性;拾振点居中布置有利于提高辨识模态的完备性;增加悬挂长度可降低悬挂效应对低阶模态的影响。研究结果对大型含铰柔性结构的地面模态试验具有借鉴意义。

大型空间可展开结构热致振动研究

搭载高精度光学载荷的空间飞行器在进出地球阴影区时,飞行器上处于展开状态的太阳帆板因剧烈的温度变化会诱发振动问题。本文采用有限元法,首先对太阳帆板进行在轨进出阴影区瞬态温度求解;然后基于卫星-太阳帆板整体动力学模型,将时变温度场等效为时变热载荷加载到整星系统上,对整星系统的热致振动动力学响应进行了数值模拟。结果表明:处于地球同步轨道的卫星-帆板在进出阴影区时,太阳帆板的温度变化较大,温差最高达到200℃;时变热载荷导致帆板结构和卫星姿态发生明显的振动响应。该方法可以合理地预测大型空间可展开系统热扰动响应。

高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究

为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法.首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材料的热弹性相关参数.然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准.本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研究,验证所提出方法的有效性和准确性.对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.

提升研究生学位论文水平的对策研究

通过分析影响研究生科研能力的因素来明确提升学位论文水平的措施,有助于提高学校的整体科研水平。学位论文水平提升的关键在于提高研究生科研积极性、提高导师素质、营造良好学术氛围、建立课题组制度等。导师应将服务学生成才作为研究生培养的主要目标,不断提高自身素质和指导水平。

基于均匀化的缝合夹芯复合材料建模方法研究

针对缝合式夹芯复合材料结构动力学建模问题开展研究,通过对复合材料代表性单元中上下面板、芯层分别施加周期性位移边界条件,根据应力平均获得相应的等效弹性参数,将夹芯结构等效为3层均质的正交各向异性层合板模型。将根据所提方法建立的层合板模型频率计算结果与精细化模型、单层板模型计算结果进行对比,验证了基于均匀化方法的缝合式夹芯复合材料动态建模精度。基于该建模方法,进一步研究缝合密度对宏观弹性参数的影响。结果表明,缝合密度对夹芯复合材料面内等效性能影响较小;随着缝合密度的增大,厚度方向等效弹性模量显著提高。

横向载荷作用下螺栓连接松动过程研究

针对横向载荷作用下的螺栓连接松动过程开展研究,给出了面向螺栓松动仿真的建模方法,分析了循环往复载荷作用下接触状态与残余预紧力的变化规律,并研究了载荷作用位置、幅值和频率对螺栓连接松动的影响。分析结果表明:在横向循环载荷作用下,残余预紧力出现交替的上升与下降;螺纹接触面先于螺头承压面进入滑移状态;横向载荷作用在上板或下板对松动没有影响;载荷幅值是影响松动的主要因素,载荷幅值越大松动越容易发生,而加载频率对松动影响较小。本研究分析结果与Junker试验结果一致性良好,可推广到复杂载荷条件下的应用。

复合材料整流罩声学等效建模与低频隔声性能研究

运载火箭发射过程中的恶劣噪声环境会导致整流罩内部电子设备失效。开展整流罩的内声场环境预测以及隔声分析,对其降噪研究和优化设计具有重要意义。复合材料整流罩舱壁大量使用蜂窝夹芯板,基于蜂窝夹芯结构精细化模型开展整流罩内声场环境预示计算量大,无法适用。本文建立了复合材料蜂窝夹芯板的力/声学等效模型,并利用精细化模型验证等效模型的精度;进一步基于有限元-边界元方法对某整流罩结构进行低频声振分析;同时,对整流罩的隔声量进行了评价。结果表明:整流罩内声场在频率为160 Hz附近声学环境较为恶劣,整流罩的降噪研究应针对该频段进行。

C/C编织复合材料压杆稳定性研究

利用Instron3367电子万能试验机,分别对固支和简支两种不同约束条件的2.5维编织C/C复合材料杆试件施加轴向压力,研究其压缩稳定性,得到材料发生破坏时的压应力与应变,发现二维编织C/C复合材料杆轴向受压时基体首先发生破坏,引起碳纤维布层间分离,发生失稳破坏;基于折减弹性模量的欧拉稳定性理论分析试验数据,对比临界应力的试验值与理论值,发现与材料长细比,初偏心和初弯曲有关的比值系数。发生失稳破坏时,破坏形态符合基于折减弹性模量、初偏心和初弯曲的欧拉曲线。

基于整体式初始位移的柔性结构低频模态试验方法

大型柔性结构由于刚度较低、结构庞大,采用传统测试方法难以获取结构的整体模态。提出了一种基于整体式初始位移的大型柔性结构低频模态试验方法。推导了任意初始位移条件下结构响应,以及初始位移条件下特征系统实现算法;在柔性结构上施加整体式初始位移来获取结构的整体振动响应,基于特征系统实现算法识别了大型柔性结构的低频整体模态。以长度为30 m的三棱柱型桁架为研究对象,验证整体式初始位移激励下结构模态参数辨识的可行性,并讨论结构在白噪声工况下的辨识精度。采用具有理论解的集中质量柔性梁模态试验进一步验证所提方法,锤击法难以激发该柔性梁的基频模态,而该方法能够准确识别柔性梁的模态。结果表明,通过在柔性结构施加整体式激励可以有效辨识出结构的低频模态参数。

基于DSMC方法的超低轨道卫星阻力特性分析

为向工程中卫星结构设计提供载荷依据,基于直接模拟蒙特卡洛仿真方法,采用Maxwell漫反射和镜面反射联合模型,对一典型超低轨道卫星的阻力特性进行研究.分析了结构网格密度、卫星头锥、星体长细比等参数对阻力特性的影响,并通过算例与文献结果对比以验证方法的准确性.结果表明,卫星阻力主要由迎风面投影面的压差阻力和卫星侧面的切向摩擦阻力组成.针对268 km典型超低轨道卫星模型,相同迎风面投影面积下,较尖的头锥结构能略微降低平飞阻力.卫星星体的长细比每增加1,阻力提升约5%~8%.全动尾翼通过改变攻角可以获得升力,升阻比为0.10~0.34.

复合材料梁弹性参数不确定性量化及试验验证

为定量描述复合材料宏观力学性能的离散性,提出了仅有少量试验数据样本工况下,非均匀复合材料梁弹性模量的不确定性量化方法.基于梁不确定性弹性模量的谱分解模型,利用贝叶斯理论和蒙特卡罗模拟实现不确定性量化.对同一批次的复合材料梁开展试验研究,利用模态试验数据识别获得的梁弹性模量样本建立不确定性量化模型,并利用振动试验中实测动响应样本验证不确定性量化模型的正确性.该方法可以利用小样本试验数据,建立准确描述系统不确定性参数的量化模型,克服了传统概率模型需要大样本数据的缺陷,可以为复合材料结构的不确定性量化分析和可靠性评估提供参考.

非均匀热载荷对统计能量分析参数的影响

基于有限元法和计及热效应的功率输入法,以各边简支L型折板为研究对象,开展非均匀热载荷对其统计能量分析参数的影响研究。开展雨流载荷作用下的仿真分析验证统计能量参数获取方法的准确性,研究非均匀热载荷中平均温度和非均匀程度对结构模态密度、内损耗因子和耦合损耗因子的影响。结果表明:在不同非均匀程度、相同平均温度热载荷作用下,热载荷非均匀程度的增加使得其模态密度下降,同时导致L型折板结构内损耗因子和耦合损耗因子的下降;热载荷平均温度的增加使得热载荷的非均匀分布对L型折板结构统计能量分析参数的影响逐渐增大。

考虑微观界面的2D编织SiC/SiC复合材料宏-细-微多尺度渐进损伤失效分析

该文将微观界面组分纳入宏-细-微三个尺度的多尺度渐进损伤失效分析中。对细、微观单胞模型施加周期性边界条件获取放大因子并采用k-means聚类方法进行缩聚;通过缩聚的放大因子求解宏观模型对应的细、微观组分应力并进行损伤失效判定;计算宏观模型退化后的弹性参数用于后续计算;针对2D编织SiC/SiC复合材料开展了渐近损伤失效分析,并通过不同聚类数目下的计算结果对比证明了所采用聚类数目的正确性。研究结果表明:仿真所得材料强度极限与试验结果一致性较好;微观界面在多尺度分析中不可忽略,不考虑微观界面会导致材料性能大幅强化;采用该文方法可以近似表征2D编织SiC/SiC复合材料界面脱粘和纤维成簇拔出的失效行为。

锁定状态下球铰连接桁架的刚度性能

采用理论分析、接触有限元和试验方法研究了球铰连接可展开桁架的刚度性能.首先,基于能量原理得到桁架结构的x、y方向等效刚度;对于z方向压缩刚度,竖杆两端球铰与角节点接触无法忽略,运用Winkler弹性地基理论得到球铰连接的等效接触刚度,并进一步根据弹簧串联原理进行求解.然后,考虑球铰接触状态,采用接触有限元进行刚度分析,将接触体和目标体都设置为变形体,通过周期性位移边界条件加载得到展开单元x、y、z三个方向的刚度.最后,通过试验来验证接触分析方法的准确性.结果表明,接触有限元方法可准确预测球铰连接桁架的刚度,结构z方向的压缩刚度远小于x、y方向的刚度值.

复合材料梁弹性参数连续分布场识别

针对纤维编织复合材料宏观力学参数空间分布的非均匀特性,提出基于正交展开的复合材料等效参数分布场识别方法,利用有限测点加速度响应信息识别复合材料梁上连续分布的等效弹性参数。基于Legendre正交多项式的参数分布场模型,推导了加速度频响函数对正交多项式系数的灵敏度,通过迭代求解优化问题识别复合材料梁沿轴向连续分布弹性参数场。以两端固支Euler-Bernoulli梁为研究对象开展数值仿真研究,验证识别方法的正确性;进一步开展复合材料梁模态试验,利用实测频响函数识别非均匀复合材料梁的杨氏模量场。结果显示,利用识别得到的等效杨氏模量场重构的结构频响函数与试验值高度吻合,表明识别得到的等效杨氏模量场能有效表征梁的刚度分布,且该识别方法对测量噪声具有鲁棒性。

高温环境复合材料螺栓连接振动的防松试验

具有耐高温、轻质、高强等特点的复合材料及其连接结构可满足航空航天领域的迫切需求,已广泛应用于工程中。为比较高温振动环境下不同复合材料螺栓连接形式的防松效果,进行了常/高温条件复合材料搭接板的随机振动试验研究。以搭接结构固有频率为评判量,通过对比试件承受振动载荷作用前后的固有频率变化,研究了常/高温环境下高温胶、双螺母防松形式,以及沉头螺栓张角等因素在给定随机振动载荷下对搭接结构连接刚度的影响。研究结果表明:常温随机振动条件下双螺母防松、60°沉头螺栓的防松性能更好;高温环境下,高温胶防松、30°沉头螺栓连接形式性能较优。

复合材料层合板多尺度交互渐进损伤分析

纤维增强复合材料强度的准确表征是复合材料力学性能研究的核心问题之一。该文以碳纤维增强树脂基复合材料层合板为研究对象,基于宏观-细观多尺度分析方法,根据复合材料的物理失效模式分别给出了基体和纤维的细观失效准则,同时考虑基体失效对复合材料层合板纤维轴向力学性能的影响。提出了新的刚度退化方式,可准确表征复合材料层合板的损伤演化过程,开展了复合材料层合板四点弯模型的多尺度交互渐进损伤分析和试验验证。结果表明:基于多尺度方法的复合材料层合板宏-细观交互渐进损伤分析结果与试验结果吻合较好,新的刚度退化方式可以准确模拟层合板的失效过程。

基于时频分析的高温振动环境螺栓连接件松动判别

针对某型复合材料螺栓连接件,研究其在高温环境下的振动特性,为表征其松动特性提供理论和试验依据。利用振动控制系统,温度控制系统和非接触式激光测量系统实现了1 000℃高温环境下的复合材料螺栓连接件振动试验。并利用短时傅里叶方法提取高温环境下的振动响应特征量,结合复合材料连接件的振动基频,二倍频幅值和二倍频与基频幅值的比值对连接结构的松动状态进行综合评判。试验结果表明,在连接件宏观松动现象非明显情况下,所提评判方法能够综合评估复合材料螺栓连接件在高温振动环境下的松动特性。