面向工程应用的复合材料结构强度校核模块设计与研发

由于具有高比强度和高比模量的显著优势,复合材料结构日益成为大型航空航天装备轻量化设计的首选材料之一。但在设计与分析过程中,复合材料的强度校核会涉及到大量复杂的公式和运算量,严重降低装备结构的设计效率和研发周期。为提高复合材料强度校核的工作效率,基于国产自主CAE平台HAJIF,研发了适用于复杂工程装备的复合材料结构强度校核模块。该模块紧密围绕复合材料结构分析与校核,提供了层合板、夹层板结构的刚度、强度、稳定性分析流程。各个流程与HAJIF平台的前后置有机融合,从而实现有限元模型、分析结果和强度校核结果的一体化显示。以某型无人机复合材料机翼结构为验证对象,分析结果表明,研发的强度校核模块能够满足复合材料强度校核的基本流程和功能,可实现大型复合材料结构的快速强度校核,明显提高了复合材料结构的校核效率。

飞机金属加筋壁板结构强度校核软件设计与实现

作为飞机结构的主承力构件,加筋壁板结构的强度校核一直是设计人员重点关注的问题之一。为降低该项工作的复杂性和重复性,在国产CAE软件平台HAJIF基础上,研发了金属加筋壁板结构强度校核软件,实现了强度校核工作的流程化和自动化。软件采用统一分层架构思想,依次研发了独立的前端界面、强度计算、工作应力提取、结果后处理等核心模块,并与HAJIF软件的前后置有机融合,实现模块之间的统一调度。验证算例表明,该软件能够满足飞机加筋壁板典型分析情况校核要求,符合强度校核流程和使用习惯,明显提高了强度设计与分析人员的工作效率。

复合材料加筋板后屈曲设计技术欧盟研究综述

为了保持竞争力,欧洲的飞机工业要求降低开发和使用成本,短期和长期分别降低20%和50%。为了实现这一目标,欧盟在框架计划下支持了一系列复合材料加筋结构后屈曲技术相关的研究项目。飞机复合材料加筋板具有较强的后屈曲承载能力,在飞机设计中可大幅提高结构的承载效率。本文介绍了欧盟在该领域的发展概况,从项目背景、目标、开展的工作、分析方法以及研究成果等方面阐述了欧盟在第五、第六和第七框架及其他项目下支持的复合材料加筋结构后屈曲设计分析技术相关研究项目,并分析了该领域技术的发展趋势及带来的启示。

导弹发射过程对机翼结构力学响应的影响研究

导弹发射对飞机结构的影响一直是设计师们重点关注的技术之一。本文利用直接瞬态响应分析方法,对某型挂弹飞机在导弹发射过程中的瞬态冲击过程进行仿真,获得机翼的动态力学性能和变化规律,并与静力计算结果对比,阐述动载响应与静载响应的关系。本文的计算结果和相关结论对工程设计具有一定的借鉴和参考价值。

满足刚度约束的筒形机身防火墙结构设计研究

通用飞机机身防火墙结构用于隔离发动机舱与驾驶舱,当结构发生变形时,必须保证防火墙结构不与发动机等重要组件发生空间干涉。为满足防火墙结构苛刻的设计要求,以某筒形机身结构为研究对象,通过分析增压工况下结构的整体刚度/强度特性,确定防火墙结构的变形特性,并在不满足结构刚度约束的条件下,对防火墙结构进行了尺寸及布局设计。结果表明,相对初始构型而言,尺寸设计无法满足刚度约束和重量要求,而采用辐射状筋条布局形式可大幅度地减小变形。

基于AMESim的阀控非对称缸串联仿真研究

结构强度试验面临大变形加载问题时,由于阀控非对称缸受自身行程限制,其加载能力有限。为了解决此类工程技术问题,可以采用两个液压缸串联加载的模式,以满足试验件变形需求。本文采用AMESim对串联加载方案进行仿真研究,对工程实践有一定指导意义。

零泊松比蜂窝结构一维变形行为

为满足柔性蒙皮的变形需求,针对一种适用于柔性蒙皮的零泊松比蜂窝结构开展了一维变形行为的研究。首先通过考虑蜂窝胞壁轴向变形及弯曲变形,基于能量法建立了零泊松比蜂窝结构的等效弹性模量理论模型,并分别应用数值分析和试验方法验证了理论模型的正确性。然后分别以铝合金和钢材为基体材料,利用数值分析方法进一步分析了零泊松比蜂窝结构的非线性变形行为,并获得了蜂窝结构的变形量与残余应变的关系。结果表明:蜂窝变形过程中的力学行为与结构的几何参数以及母材的选择有关。因此,可以通过改变蜂窝结构的几何参数,实现蜂窝结构驱动力及残余应变的调节;同时,在选择基体材料时,为兼顾“面内”刚度和“面外”承载能力,不仅应该选用杨氏模量小的材料,减少其驱动力,还应该选用弹性段大的材料,减小残余变形。

轴压加筋壁板承载能力计算方法探讨

目前飞机设计中主要采用工程方法计算加筋壁板的承载能力。本文介绍并评述了分段处理法、Johnson法和极限载荷法三种常用的工程方法,为了探讨哪种方法能更加满足工程需要,采用这三种方法对某型飞机中央翼加筋壁板及其试验件分别进行计算,表明其中极限载荷法的计算结果偏于安全,与试验结果吻合较好,并采用此法确定了中央翼加筋壁板的承载能力。最后采用极限载荷法进一步计算该型飞机机身11种构型加筋壁板轴压试验件,破坏载荷计算值与试验结果相当吻合,从而证实了极限载荷法是一种计算轴压加筋壁板承载能力更准确、实用的工程方法。

加筋板破坏载荷计算中的蒙皮有效宽度计算方法适应性验证

飞机机身和机翼结构多采用中长加筋板,中长加筋板在轴压载荷作用下的破坏载荷一直是工程中研究的热点;目前中长加筋板破坏载荷计算多采用Johnson-Euler方程,涉及到蒙皮有效宽度计算。对国内外常用的有效宽度计算方法进行分析,说明其产生的根源,并通过机身加筋板试验结果对其适应性进行验证。结果表明:对于薄蒙皮铆接Z型机身加筋板破坏载荷计算,本文介绍的有效宽度计算方法都能使计算误差控制在10%,可为飞机设计人员对轴压加筋板设计提供帮助。

丝材3D打印2024/7055铝合金梯度结构组织与性能分析

大型高强度轻质铝合金整体结构件在航空航天装备结构中应用广泛。为充分发挥不同材料的性能优势,可将两种以上的铝合金材料通过增材制造技术整体成型,从而制造出兼顾功能与减重要求的整体梯度结构件。为此,提出了一种多丝材电弧增材制造铝合金梯度结构件的制备方法,实现了航空结构常用的2024/7055铝合金梯度结构的3D打印,并对梯度结构进行了宏/微观组织、气孔缺陷、过渡区元素含量以及力学性能等进行了全面的分析。结果表明:通过多丝材增材制造打印的2024/7055铝合金梯度结构连接良好、过渡区域连续;梯度区域两种材料的晶粒组成不同,2024铝合金由等轴晶粒组成,而7055由短柱状晶粒组成;气孔在空间分布中呈条状分布,并且两种合金Zn元素含量不同,导致力学性能差异较大;当材料组分占比为2024(25%)/7055(75%)时,力学性能最好,材料折损率最低。

基于JSON格式的强度校核软件数据交互接口设计

为解决飞机结构强度校核软件与前后置的数据交互效率低及通用性差等问题,提出以JSON格式作为强度校核软件求解器与前后置的数据交互模型。软件前端界面生成的JSON文件作为求解器的输入进行解析,并根据解析结果完成相应的强度校核任务,再以JSON格式将校核结果返回到前端界面,用于结果的显示与查询。分析结果表明,利用JSON作为数据交互的媒介,可统一前后置与求解器的输入/输出格式,具有较高的流转效率。

具有工程适用性的复合材料机翼结构快速设计

为实现复合材料层合板的快速设计,从工程适用性角度出发,提出了面向铺层厚度/铺层顺序的快速设计流程。首先,基于满应变设计方法对复合材料分层厚度进行优化设计,得到各分层的厚度比例。然后,采用相对差商法实现分层厚度的圆整,各分层在圆整之后为单层厚度的整倍数。最后,基于工程材料数据库对铺层顺序进行设计。利用某无人机复合材料机翼对本文提出的设计流程进行了验证,结果表明,机翼减重6.7%,最大变形下降了3.3%,层合板的设计效率明显获得了提升。

用于变体机翼的零泊松比胞状结构面内和面外力学性能

零泊松比(Zero Poisson’s ratio,ZPR)胞状结构等智能结构因其重量轻、有效模量低的突出特点,在变形翼等领域的应用逐渐兴起。本文研究了ZPR胞状结构的面内和面外力学性能,提出了计算ZPR胞状结构的面内拉伸模量、面内剪切模量和面外弯曲模量的理论方法,分析了蜂窝结构几何构型对其面内、面外力学性能的影响。在有限元模拟的基础上,系统地研究了面内拉伸、剪切模量和面外弯曲模量。实验验证了理论分析和有限元分析的可行性和有效性。结果同时表明,通过设计胞体几何参数可以控制ZPR胞状结构的面内和面外力学。

卡拉胶-聚丙烯酰胺双网络水凝胶的制备及性能研究

利用卡拉胶在外界热载荷的刺激下具有凝胶-溶胶转变特性,与聚丙烯酰胺共混制备得到卡拉胶-聚丙烯酰胺双层网络水凝胶。通过粘接性能测试实验,发现卡拉胶-聚丙烯酰胺双层网络水凝胶与本体粘接时,在初始低温时粘接能高达400 J·m^(-2)、高温脱粘时粘接能下降为50 J·m^(-2)、低温再粘接后粘接能增至280 J·m^(-2),实现了水凝胶的热可逆强韧粘接。随着卡拉胶质量比的增加,卡拉胶-聚丙烯酰胺双层网络水凝胶力学、粘接性能相应升高。这一热可逆粘接方法不需要复杂的表面结构设计且粘接能高,在临床医用中极具价值。

一种面向模块化可重构机翼的分步补偿优化方法

针对模块化可重构机翼结构的优化设计问题,以沿展向分布的3个翼段模块为研究对象,研究了不同翼展方案机翼的载荷相关性,通过在优化迭代过程中自动调整设计空间,解决了模块化可重构机翼优化设计时复杂的变量-约束耦合影响问题,建立了适用于模块化可重构机翼结构的分步补偿优化方法。以某无人机模块化可重构机翼结构优化设计问题为例,建立了优化模型,并分别采用所提分步补偿优化方法和传统单方案优化方法进行了优化设计。结果表明:所提方法能够稳定收敛,与单方案优化结果相比较,所提方法以较小的重量代价满足了3种重构方案的所有设计要求,且优化结果具有较好的工程实用性。

一种PID多指标优化设计方法及实现

关于控制器优化设计问题,常规的PID参数整定方法大多只适用于满足经验公式条件的对象,整定目标往往针对某一特定指标。为了兼顾系统的多个性能指标,提出了一种多指标约束下的PID参数优化整定方法:将动态性能指标作为优化目标,系统极点位置作为约束条件,采用Matlab仿真计算求解,并阐述了利用COM组件技术实现VB与Matlab混合编程的关键步骤,将其应用到PID多指标优化设计中完成了程序实现,并以实例进行了仿真计算,仿真结果证明了所提方法的有效性以及程序的实用性。

基于离散变量复合形法的减重优化设计

以蜂窝夹芯板上下面板厚度h_(1)、h_(2),芯子高度h_(c),芯格边长l和芯格壁厚δ,创建以蜂窝夹芯板几何参数为设计变量,以总质量最小为优化目标,以夹芯板的稳定性作为约束条件的优化设计模型。由于芯格边长和芯格壁厚为离散设计变量,上下面板厚度和夹芯厚度为连续设计变量,应用混合离散复合形法解决此混合变量优化问题。工程算例计算结果表明,混合离散复合形法可用于蜂窝夹芯板设计参数优化问题。