热过屈曲功能梯度壁板的气动弹性颤振

功能梯度材料的宏观物理性能随空间位置连续变化,能充分减少不同组份材料结合部位界面性能的不匹配因素.功能梯度壁板用作高速飞行器的热防护结构,能有效消除气动加热带来的壁板内部热应力集中.本文考虑热过屈曲变形引入的结构几何非线性,分析功能梯度壁板的气动弹性颤振边界.基于幂函数材料分布假设,采用混合定律计算功能梯度材料的等效力学性能.根据一阶剪切变形板理论、冯·卡门应变-位移关系和一阶活塞理论,基于虚功原理建立超声速气流中受热功能梯度壁板的非线性气动弹性有限元方程.采用牛顿-拉弗森迭代法数值求解壁板的热屈曲变形,分析超声速气流对热屈曲变形的影响机理.在壁板热过屈曲的静力平衡位置分析动态稳定性,确定了壁板的颤振边界.研究表明,当陶瓷-金属功能梯度壁板的组份材料沿厚度方向梯度分布时,会破坏结构的对称性导致壁板在面内热应力作用下发生指向金属侧的热屈曲变形.超声速气流中壁板热屈曲变形最大的位置随气流速压增大向下游推移,并伴随屈曲变形量的减小.热过屈曲壁板的几何非线性效应会提高壁板的颤振边界,这种影响在高温、低无量纲速压且壁板发生大挠度热屈曲变形时表现显著.较高无量纲气流速压下由于壁板的热屈曲变形被气动力限定在小挠度范围,几何非线性效应不明显.      

考虑损伤和界面脱粘的复合材料加筋板稳定性试验与模拟研究

对复合材料帽型加筋板的压缩稳定性进行了试验研究,并在包含复合材料多种损伤模式和胶层损伤的条件下,对加筋板失稳及损伤演化特征开展了有限元分析.试验与模拟结果表明:在加筋壁板失稳前,基体、纤维、加强筋和壁板之间的胶层均未产生明显损伤,加筋板的失稳会导致快速的损伤演化;壁板近表面损伤较内部严重,胶层界面脱粘降低了壁板的极限承载能力;考虑损伤的模拟结果与试验相符性好,证明了该方法的可行性和有效性.     

基于弧长法的加筋板后屈曲特性分析及试验

作为飞机上重要的承载部件,加筋壁板在发生初始屈曲后仍具有较强的后屈曲承载能力,因此研究其后屈曲特性对于确定破坏载荷具有重要意义。传统的特征值屈曲分析是以小位移小应变的线弹性理论为基础的,且不考虑结构在受载过程中结构构形的变化,因此误差较大。本文采用Riks弧长法,结合材料弹塑性理论对铝合金整体加筋壁板轴压加载后的屈曲破坏过程、传载机制、极限载荷进行了研究,并进行了轴压加载的试验验证,得到了加载过程中的应力、应变曲线以及极限载荷,还对后屈曲破坏形式进行了分析。数值模拟结果表明:本文研究的整体加筋板初始屈曲发生在蒙皮,后屈曲过程筋条是主要的承载部位,与试验中观察到的现象一致;试验中加筋板最终破坏部位发生在筋与蒙皮连接处,有限元模拟结果与试验中加筋板的最终破坏部位一致;数值模拟得到的极限载荷与试验的相对误差在5%以内。这表明基于弧长法的后屈曲计算能够准确跟踪整体加筋板的后屈曲平衡路径和预测极限载荷。     

工字型加筋复合材料壁板的压缩屈曲行为实验研究

在复合材料结构整个屈曲承载过程中,从微观开始发生局部的纤维断裂、基体微裂纹等损伤,并随着屈曲程度的增加和屈曲模式的转化逐渐发生分层扩展。采用实验与数值计算相结合的方法,本文研究了工字型加筋壁板复合材料结构在压缩载荷作用下的屈曲行为。采用无损光学手段来非接触检测壁板表面的全场屈曲挠度,捕捉屈曲模态演化过程。基于有限元的数值模拟,预测了工字型加筋壁板复合材料结构的屈曲与后屈曲行为,用定量的实验数据来对比数值预测的壁板屈曲形态,表明实验和数值结果的离面挠度分布具有一致性。     

复合材料机翼加筋壁板稳定性分析

利用工程及有限元方法分别分析了加筋壁板整体和局部稳定性.分析发现:在有限元计算中模型边界条件的选取对分析结果有着较大的影响.通过大型有限元软件MSC.Patran/Nastran,计算了不同边界条件下加筋壁板稳定性,将结果与工程计算结果比较,得到一种有限元分析稳定性中较合适的模型及边界条件.同时运用论证的有限元模型及边界条件,分析了相同横截面积下,不同桁条设计方案的壁板整体稳定性,结果显示桁条横截面设计对加筋壁板的稳定性有着很大的影响.     

改进的复合材料T型长桁压损失效的数值分析方法研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料T型长桁的压损失效,对常用的有限元建模方法进行改进,通过shell-solid混合建模保留填充区细节来提高分析精度。为了比较,另外还建立了不带填充区细节的有限元模型。有限元模型结合渐进损伤分析方法,利用ABAQUS软件进行非线性求解后得到了长桁的屈曲载荷、破坏载荷及失效模式。相应地,制造了T型长桁试验件进行压损试验,对建模方法进行验证。通过对比发现,带填充区模型能提高1%～5%的计算精度,使计算结果与试验值吻合得更好,验证了该改进方法的有效性。     

大开口复合材料加筋壁板稳定性分析

运用大型有限元软件Patran/Nastran分析了大开口复合材料加筋壁板的稳定性,并对不同加筋方式下壁板屈曲特征值和屈曲模态图进行了比较。结果表明:补强提高了大开口复合材料壁板的稳定性,但往往无法达到很好的效果,需要通过加筋改善其稳定性;加筋复合材料壁板稳定性较原有模型有较大提高;加筋大开口复合材料壁板屈曲特征值随筋条距开口中心距离的增加而减小,其屈曲分界线均位于筋条布置处;纵筋大开口复合材料加筋壁板一阶屈曲特征值为2.13,而横筋只达到1.08;纵筋布置对复合材料壁板稳定性影响明显高于横筋布置,可在实际工程应用中适当增加纵筋的布置。     

加筋壁板轴压载荷下后屈曲稳定性试验研究

对11种构型的民用飞机机身加筋曲板在轴压载荷下后屈曲承载能力进行了试验和工程算法研究,深入探索了机身壁板的各种破坏模式,对极限法、Johnson）物线法与欧拉法三种工程算法比较,并且把试验结果与计算结果进行了对比。研究结果表明：壁板后屈曲轴压许用值与桁条剖面积和蒙皮厚度成线形关系,主要取决于桁条剖面积;蒙皮的局部屈曲应力对初始缺陷敏感,但局部屈曲应力的偏差对壁板的轴压破坏载荷影响不明显;与工程计算结果对比发现Johnson抛物线法计算的破坏轴压与试验结果吻合较好。     

超音速气流中受热壁板的稳定性分析

采用Galerkin方法建立二维壁板的非线性气动弹性运动方程，用一阶活塞理论模拟壁板 受到的气动力. 基于李雅普诺夫间接法分析了平壁板的稳定性，得到了壁板失稳的边界 曲线；采用牛顿迭代法分析了壁板的屈曲变形，进而分析了后屈曲状态下壁板的稳定性； 在时域中分析了后屈曲状态下壁板的颤振边界. 分析结果表明，为了保证计算精度， 在二维壁板的静态失稳及过屈曲变形分析中，至少要取二阶谐波模态；在平壁板的超音速颤 振(动态失稳)边界分析中至少应取四阶模态. 还对壁板的温升，壁板长厚比、壁板密 度和气流马赫数作了无量纲变参分析，研究了这些参数的变化对壁板稳定性的影响规律. 研 究中发现，当气流速压较低时壁板一般会稳定在低阶谐波模态的屈曲变形位置，但是如果系 统出现多个渐近稳定的不动点，即使作用在壁板上的气流速压很低，壁板也有可能在较低速 压下发生二次失稳型颤振.     

C/SiC壁板热噪声复合环境动态响应试验研究

高温复合材料壁板是高超声速飞行器热防护系统的重要组成部件,飞行中面临严酷的气动热、气动力、噪声等复合环境,严重影响结构的完整性和耐久性。基于自行研制的热噪声试验系统,选取典型C/SiC壁板结构为试验件,开展温度为200~600℃、噪声为156~165dB的热噪声动态响应试验研究,初步形成了高温复合材料壁板热噪声动态响应的试验方法。结果显示,热噪声环境导致试件加速度均方根值发生变化,加速度响应峰位置向高频偏移。上述结果可为热防护系统设计及抗噪声性能验证提供技术支撑。     

曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析

相比传统加筋板,曲线加筋板能够更充分地发挥材料力学性能.在加筋板力学分析中,厚板通常采用Reissner-Mindlin理论,然而当板厚较薄时易出现剪切自锁,离散的Kirchhoff-Mindlin理论采用假设剪切应变场可避免该问题.针对曲线加筋Kirchhoff-Mindlin板自由振动分析,采用离散的Kirchhoff-Mindlin三角形单元和Timoshenko曲梁单元分别模拟板和加强筋,根据板的位移插值函数及筋板交界面的位移协调条件,建立基于板单元位移自由度的有限元方程.为了验证方法的有效性和准确性,采用直线加筋薄板、曲线加筋薄板和厚板3种模型进行算例研究,通过收敛性和精度分析来选择合理的有限元网格密度.直线加筋薄板前20阶固有频率均与文献结果吻合良好;曲线加筋板算例中,本文方法满足收敛条件的板单元数目为2469,Nastran模型板单元数目为6243;本文所得曲线加筋板固有频率与Nastran计算结果最大误差为3.4%.研究结果表明,本文方法无需筋板单元共节点,可使用较少的有限元网格数量,并能够保证计算精度;在离散Kirchhoff-Mindlin三角形板单元基础上构造Timoshenko梁单元可同时适用于曲线加筋薄板与厚板自由振动分析.     

基于APDL的钢板剪力墙可靠性研究

应用ANSYS中的APDL参数化语言对非加劲肋钢板剪力墙、十字加劲肋钢板剪力墙、斜加劲肋钢板剪力墙进行了建模及随机有限元可靠性分析。在随机有限元可靠性分析中,使用PDS模块,确定了钢板剪力墙的可靠度,并将结果生成可靠性分析报告。结果表明:相同强度地震力作用下的三种模型,可靠度从小到大依次为非加劲肋钢板剪力墙、十字加劲肋钢板剪力墙、斜加劲肋钢板剪力墙。三种模型中竖向压力对可靠度影响最大。     

短柱型复合材料加筋壁板轴向压缩破坏分析方法研究

复合材料加筋结构可作为航空结构中的承力部件,其损伤与破坏对航空器的结构安全和服役性能至关重要．本文通过试验和数值仿真手段研究了短柱型复合材料结构压缩失效机理和极限承载力．通过短柱型单加筋板的轴向压缩破坏试验,分析梳理出界面脱粘和材料压溃两种典型失效形式;分别建立加筋板壳单元模型和实体单元模型,引入内聚力模型和Hashin 准则描述界面脱粘效应与材料破坏,结果表明壳单元模型配合内聚力模型和Hashin 准则可以有效地预测加筋板的极限承载力．分别讨论了加筋板长度、筋条高度、筋条/蒙皮刚度比等参数对加筋板的屈曲承载力的影响,为短柱型复合材料加筋壁板压缩损伤与破坏预测分析提供有益的参考．     

具有分层损伤的不同加筋形式复合材料层合板的后屈曲性态研究

基于板的一阶剪切理论和V on-K arm an大挠度理论,分别推导了复合材料层合板和层合梁的几何非线性有限元列式,提出了含嵌入分层的复合材料加筋层合板在受压缩载荷作用下的后屈曲有限元分析方法,对在板厚方向具有不同分层位置的加筋板结构进行了有限元数值分析,研究了不同的加筋方式及筋的分布对具有分层损伤的复合材料加筋层合板的后屈曲性态的影响,所得结果对确定在压缩载荷作用下含损伤复合材料加筋层合板的剩余承载能力具有参考价值。     

整体加筋壁板裂纹扩展轨迹模拟及控制分析

应用有限元方法并结合裂纹扩展方向判据分析模拟了飞机整体加筋壁板裂纹的扩展轨迹,与实验结果对比证明此方法的有效性;并通过壳单元模型和粘聚区渐进损伤模型详细讨论了影响整体加筋壁板裂纹扩展的筋条参数,研究了壁板筋条对裂纹止裂的控制,并对不同参数下裂纹的应力强度因子和扩展情况作对比分析.文章所述方法和结论对于飞机整体加筋壁板的损伤容限设计具有指导意义.     

连续体结构的拓扑与形状集成优化算法

以连续体结构的拓扑与形状优化设计技术作为研究对象,将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助设计有机地集成在一起,构建了优化设计模型;研究了用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界,进行边界光滑处理;在形状优化中,设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立了边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法及模型更新理论,有效地控制节点的运动,给出了相应的算法和计算表达式,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布尽快使形状变为最佳。设计实例的结果表明了本文所建立的模型的合理性和方法的有效性。     

计算不确定结构系统静态响应的一种可靠方法

不确定性广泛存在于工程结构分析和设计过程之中，不能简单地予以忽略。目前，概率方法、模糊方法和区间方法是不确定性建模的三种主要方法。本文把具有不确定性的结构材料参数、几何参数和所受外力用区间数描述，通过求解线性区间方程组准确地计算了结构静态响应。计算结果易于扩张是区间计算的一个主要缺陷，本文提出了一种有效避免这一问题的方法。该方法把区间函数的计算和区间线性方程组的求解转化为相应的全局优化问题，来确定解中的每个区间元素的边界值，并采用一种智能性算法(实数编码遗传算法)来求解这些全局优化问题。本文首先采用数学和结构分析算例对该方法的正确性和有效性进行了验证，然后把该方法与有限元方法相结合计算不确定结构系统的响应范围，并和求解同类问题的方法进行了比较。     

纵横加肋圆柱壳的应力分析

建立了一种纵横加肋圆柱壳有限元分析的正确的力学模型,通过大量数值计算,论证了纵骨尺寸,纵骨间距对壳体应力状态的影响,提出了一种等效各向同性壳的近似解析公式,为开展纵横加肋圆柱壳的结构设计打下了良好的基础。     

Numerical modeling of functionally graded materials using a variational formulation

An approach of numerical modeling of heterogeneous, functionally graded materials, by using the finite element method, is proposed. The variational formulation is derived from the generic case so that the implementation of material coefficients, which are functions in space, is realized without any further assumptions. An analytical solution for a simple case is presented and used for validation of the numerical model.     

基于边光滑有限元法的加筋板静力和自由振动分析

运用边光滑有限元法,研究分析了加筋板结构的静力和自由振动问题。在边光滑有限元法中,将基于边的应变光滑技术用于对原来的应变场进行光滑操作;由于应变光滑技术能够适当地软化原来过刚的有限元模型,从而能够得到更加接近于系统准确刚度的光滑有限元模型;鉴于三角形单元良好的适用性,选用三角形单元对模型进行网格划分;同时,为了解决低阶Reissner-Mindlin板单元弯曲过程中的横向剪切自锁问题,采用了一种新型的离散剪切间隙技术。算例的数值计算结果表明,与传统的有限元法相比,边光滑有限元法能够得到精度更高的计算结果,且收敛更快,计算效率更佳。