基于不完全测量的结构损伤识别研究

自适应序贯非线性最小二乘法是一种新型的损伤识别方法.为了减少结构中传感器的数量,将有限元模型缩聚理论与自适应序贯非线性最小二乘法相结合,用于结构的损伤识别——基于缩聚模型的自适应序贯非线性最小二乘法.为了验证该方法的有效性,对一悬臂梁结构进行了试验研究,研究中考虑了白噪声、正弦、和EL-Centro地震波三种激励下的六种工况.研究结果表明,基于缩聚模型的自适应序贯非线性最小二乘法是一种有效的结构损伤识别方法,根据该方法,只需要使用少量的传感器即可准确地识别出结构中损伤的发生时刻、损伤的程度和位置.

含界面脱粘三维五向编织复合材料单向拉伸损伤失效机理研究

建立了含界面脱粘的三维五向编织复合材料单向拉伸损伤分析有限元模型。将Tsai-Wu强度准则用于纤维束损伤判断并确定材料失效模式,结合Murakami损伤张量表征材料各向异性损伤,根据失效模式进行材料性能退化;界面相和基体分别采用Quads准则和Mises准则作为失效判据,引入刚度折减;建立了五向编织复合材料的损伤预测模型。模拟了典型编织角材料的细观损伤起始、扩展和最终失效过程,分析了材料的细观损伤失效机理,并基于所得应力应变曲线预测了材料的拉伸强度。数值结果与试验结果基本吻合,说明了损伤预测模型的合理有效性。

二维二轴1×1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析

考虑纤维束相互挤压及横截面形状变化,采用纤维束截面六边形假设,建立了二维二轴1×1编织复合材料的参数化单胞结构模型。通过引入周期性位移边界条件,基于细观有限元方法,对编织材料的弹性性能进行预测,讨论了编织角及纤维体积含量对面内弹性常数的影响,并分析了典型载荷下单胞细观应力场分布。研究表明:单胞结构模型有效反映了纤维束的空间构型和交织特征,实现了不同编织工艺参数下模型的快速建立;基于单胞有限元模型的弹性性能预测结果与试验结果较为吻合;模型给出了单胞合理的应力场分布,为二维编织复合材料的结构优化和损伤预测奠定基础。

缝合复合材料层板低速冲击及冲击后压缩实验研究

通过对缝合复合材料层板进行低速冲击和冲击后压缩实验,研究了不同类型的缝合复合材料层板的冲击损伤特性及冲击后压缩的剩余强度。实验研究表明:基体损伤和分层是缝合层板与未缝合层板低速冲击的主要损伤模式,缝合层板具有更好的抗冲击性能,更高的冲击后压缩强度。缝合密度越大的层板其抗冲击性能越好,冲击后压缩强度越高。缝合方向为0°的缝合层板较缝合方向为90°的缝合层板具有更好的抗冲击性能和更高的冲击后压缩强度。增加0°方向铺层,减少45°、-45°方向铺层,可以提高缝合层板的抗冲击性能和冲击后压缩强度。

一种新的柔性蜂窝结构及其在变体飞机中的应用

变体飞机要求机翼结构可以光滑连续地变形。机翼的蒙皮要有足够大的面内伸缩变形能力,同时还要有足够的面外承载能力。本文针对后缘变弯度机翼,设计出一种新的柔性蜂窝结构。研究了该柔性蜂窝的面内变形能力和形状参数的关系。仿真分析和试验验证表明,该柔性蜂窝结构具有足够的面内变形能力,变形后仍保持良好的面外承载能力,满足后缘变弯度机翼的使用要求。

矩形厚板弹塑性屈曲的微分求积法分析

笔者首次采用微分求积法分析了矩形厚板的弹塑性屈曲问题。为了考虑横向剪切变形的影响,采用了Mindlin板理论和全量理论和增量理论,推导了相应的控制微分方程与内力的表达式。为了验证所推导的公式和求解算法,将本文结果与现有文献中的结果(包括精确解)进行了对比,然后给出了一些新的结果,并指出了两种理论结果之间差异大的原因是由于增量理论产生了大的等效应变从而违反了建立方程时的小变形假设,因此增量理论得到的结果是不可信的结果。

三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型,引入周期性边界条件,对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟,并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量,建立了含损伤材料的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明:基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好;Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据;不同编织角材料的失效机制不同。

缝合复合材料层板低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元法,以空间杆单元模拟缝线的增强作用,建立了缝合复合材料层板在横向低速冲击载荷作用下的渐近损伤分析模型.该模型考虑了缝合层板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层等五种典型损伤形式,采用基于应变描述的Hashin失效准则和Yeh分层失效准则,并将其嵌入ABAQUS/Explicit用户子程序以实现相应损伤类型的判断及其材料性能退化.针对相同铺层的缝合与未缝合层板,模拟了低速冲击作用下的冲击响应和渐进损伤过程,数值结果与试验吻合较好,证明了该方法的合理有效性.同时探讨了冲击速度、缝合密度等对缝合层板冲击响应和损伤的影响.

材料强度对层板抗弹性能和损伤特性的影响

根据纤维增强复合材料宏细观结构特征,基于ABAQUS软件平台,建立了层合板高速冲击损伤三维有限元分析模型.该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,采用三维粘弹性本构,结合Hashin失效准则模拟单层板面内损伤.利用该模型,深入研究了复合材料层板的抗弹性能和损伤特性,数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性.通过数值分析,详细探讨了材料强度参数对层板抗弹性能和损伤特性的影响规律,获得了一些有价值的结论.

考虑脱粘的复合材料加筋板屈曲后屈曲及承载能力数值分析

建立了复合材料层合加筋壁板的屈曲后屈曲有限元分析模型。该模型采用界面单元以有效模拟筋条和壁板之间的连接界面,连接界面和复合材料层板分别采用Quads和Hashin失效准则作为失效判据,引入材料刚度退化模型,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的前后屈曲平衡路径及破坏过程。数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性。详细探讨了筋条尺寸及界面单元强度等参数对加筋壁板屈曲后屈曲行为及承载能力的影响规律,研究表明增加筋条截面惯性矩及筋条密度在一定程度上能有效提高加筋板的屈曲载荷与极限强度,筋条密度增加到一定程度会引起结构破坏形式由失稳破坏转变为压缩破坏,界面强度与铺层方式对极限强度有重要影响,界面脱粘是引起加筋板最终破坏的重要因素。

复合材料层合板低速冲击损伤的有限元模拟

建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤的3D有限元模型。采用应变描述的失效判据来判断铺层层内的各类损伤,如纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤裂,并结合相应的刚度折减方案对失效单元进行刚度折减。使用界面元模拟层间区域,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来定义分层损伤的起始和演化规律,提出了一种界面元损伤起始强度沿厚度方向的分布函数。通过对数值仿真结果和实验结果的比较,验证了模型的合理性和准确性。

二维二轴编织复合材料几何模型及弹性性能预测

提出了二维二轴1×1和2×2编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的相互挤压及横截面的变化。基于细观分析和体积平均法,建立了预测二维二轴编织复合材料弹性性能的理论分析方法。数值结果与试验结果吻合,表明该方法行之有效,且具有运算快、精度高、适合工程分析等优点。分析了编织角、纤维体积含量和纤维束横截面形状对材料弹性常数的影响。研究表明,编织角对弹性常数的影响具有互补性,材料弹性模量与纤维体积含量成正比,纤维束截面形状变化对材料弹性常数影响不大。

用于时变系统参数识别的状态空间小波方法

该文利用系统的激励和受迫响应数据,基于状态空间和小波变换理论,提出了一种识别时变系统参数的新方法。该方法首先将线性时变系统的二阶振动微分方程转换为一阶状态方程,然后对系统的激励和响应信号进行小波尺度函数空间投影,利用小波尺度函数的正交性,把一阶状态空间方程解耦为线性代数方程组。其次求解方程组,识别出不同时刻的等效系统转移矩阵。最后通过特征值分解得到时变系统的模态参数,再将转移矩阵与实际物理模型下的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵作对比,识别出系统的时变刚度和时变阻尼。以二自由度弹簧-质量-阻尼模型为仿真算例,对突变、线性变化和周期变化三种情况下的时变参数进行了识别,算例结果验证了该方法的正确性和有效性。

Lamb波在复合材料板中传播的谱有限元建模和仿真

基于谱有限元对Lamb波在复合材料层合板中的传播进行了模拟。结合Gabor小波分析对谱有限元及传统有限元模拟结果与理论结果进行了对比,并对相控阵法结构探伤的扫描过程进行了模拟和分析,给出了Lamb波的传播和扫描图像。结果表明,在得到更精确模拟结果的同时,谱有限元较传统有限元法能大大缩短计算时间,证实了该方法在模拟Lamb波在复合材料板中的传播方面的优越性。同时,谱有限元法能很好地模拟相控阵法探伤的扫描过程,模拟结果与实际结果吻合,证实了本文建模方法的可行性和精确性。

圆管状立体机织复合材料的多尺度分析

采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞,并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、细观单胞的平均弹性常数,得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数,实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能,模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面,研究了从大到小各尺度耦合的应力分析,对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型,进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、到细观纤维束尺度、再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。