含金属内衬的复合材料缠绕壳结构应力场分析的混合状态Hamilton元半解析法

本文将基于Hellinger-Reissner广义变分原理,提出一种分析复合材料缠绕壳结构应力场分析的混合状态Hamilton元半解析法.该方法在周向面内采用有限元离散;而沿径向对状态方程进行解析求解.在求解过程中,采用了传递矩阵技术,以保证层间位移和应力的连续性,并建立了缠绕结构的内、外表面状态变量之间的关系.为此,不论缠绕结构的层数有多少,最后都归结为求解缠绕结构内、外表面未知量.同常规位移有限元法相比,此方法大大地降低了求解未知量的数目.文中还采用Chang F K提出的复合材料缠绕结构的破坏准则,对一在服役工况下具有金属内衬的复合材料缠绕壳典型结构进行了强度校核.     

纤维缠绕复合材料压力容器渐进损伤分析

利用大型有限元软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)建立了纤维缠绕复合材料压力容器的有限元模型,该模型真实地反应了复合材料压力容器封头处纤维缠绕层的厚度以及纤维缠绕角度沿子午线不断变化的情况,即充分体现该压力容器结构的真实性.针对建立的有限元模型,对复合材料压力容器在一定内压下的应变进行了分析,将分析的结果与试验结果比较,验证该模型的准确性.在此基础上进行了复合材料压力容器的渐进损伤分析,获得了复合材料压力容器在外载荷逐渐增加的情况下,复合材料缠绕层逐层失效破坏的详细信息,为复合材料压力容器的设计提供一定的依据.     

管道体积型缺陷复合材料补强的试验模拟研究

为分析管道体积型缺陷屈服前后复合材料缠绕层分担载荷的差异,在材质为X60钢、外径为508mm、壁厚为8.7mm的管件上预制深厚比约为70%的体积型缺陷,并进行低压水压试验,分析缺陷及完整管壁在弹性阶段的应力分布特点。采用玻璃纤维复合材料补强管道缺陷再次进行试验,分析试验压力上升时,管道缺陷发生塑性变形的水压值及应变响应趋势;采用水压试验结果验证有限元模型的准确性后,应用数值模拟分析管件缺陷屈服前后复合材料作用的差异。研究表明:对含体积型缺陷的管道,缺陷区域在内压作用下形成局部弯矩;复合材料缠绕层可以有效抑制这一弯矩,使弹性阶段局部弯矩的最大降幅超过50%,提高了缺陷发生屈服的压力;缺陷区域屈服之后,复合材料缠绕层分担环向载荷,对缺陷管壁的局部鼓胀具有约束作用,使补强管道沿剩余壁厚的应力分布不均匀度降低,约为未补强管道的一半,提高了管道的承载能力。     

基于蚁群算法的复合材料缠绕壳体铺层顺序优化

为了提高纤维复合材料缠绕壳体结构的屈曲稳定性,本文将蚁群算法(ACA)求解旅行商问题(TSP)的方法引入到缠绕层顺序优化的计算中.阐明铺层顺序优化的本质是调整沿板厚方向的刚度分布以提高版的抗弯刚度,同时改善荷载的传递路径,以降低由偏心而产生的附加弯矩,从而提高结构的抗屈曲能力;扩展了经典蚁群算法,提出一种分组编解码方法...     

缠绕提升钢丝绳绕入冲击摩擦特性研究

为掌握多层缠绕提升钢丝绳层与层之间滑动摩擦磨损特性,在自制缠绕式矿井提升机钢丝绳层间摩擦试验台上,以6×19热镀锌钢丝绳为研究对象,对不同载荷、滑移速度、冲击速度下钢丝绳滑动摩擦磨损规律及接触区域温升变化规律进行试验探究.研究结果表明:摩擦系数变化分为快速增长阶段、过渡阶段、稳定阶段;摩擦系数随载荷增加小幅减小,随滑移速度增大总体呈降低趋势;缠绕钢丝绳滑动摩擦温升集中于接触区域,最大温升受滑移速度影响明显,随速度增加而增大;冲击摩擦系数明显低于稳定滑动摩擦系数,最大冲击摩擦系数随冲击速度、滑移速度增大而增大,随着冲击载荷增大出现多次冲击摩擦.     

离散多层厚壁爆炸容器抗爆炸性能试验研究

为了研究离散多层爆炸容器的动力响应和破坏特性,制造了尺寸和材料相同但钢带缠绕倾角不同的三台离散多层试验容器,并进行了一系列大药量的中心加载试验,测量了典型位置的应变。结果表明中心装药时三台试验容器的破坏都在爆心截面处,钢带缠绕倾角较小的容器能够承受更大炸药量的爆炸作用,容器具有较好的抗内爆炸性能。     

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为研究轻钢增层结构的动力特性,本文详细介绍了以有机玻璃为模型材料轻钢增层结构采用共振法试验的方法．将共振法测试到的模型动力特性,与理论计算作了对比,二者具有较好的一致性,并对试验结果进行了理论与计算分析．     

离散多层绕带容器在爆炸载荷作用下动力响应的数值模拟研究

运用LS-DYNA3D对不同缠绕角度的离散多层绕带容器在内部中心爆炸载荷作用下的动力响应进行了数值模拟。模拟结果与实验结果、理论分析以及单层圆柱高压容器的动力响应作了比较。研究结果表明,内部中心爆炸载荷作用下,容器绕带层应力分布比较均匀;相同炸药当量条件下,缠绕角度越大,最外层绕带中心的最终位移越大。结果还表明,离散多层绕带容器具有只漏不爆的良好抗爆性能,是单层结构容器不具备的。计算结果可为构建爆炸容器的工程设计标准提供参考。     

薄壁绕丝筒体应力与变形的近似计算

将等张力缠绕筒体钢丝层中沿厚度方向近似呈阶梯状分布的预应力简化为均匀分布,其大小由钢丝层预应力降低系数η确定(η随钢丝层厚度的增大而减小),由此可获得薄壁绕丝筒体应力与变形的近似计算式.     

复合材料框架结构刚度几何双尺度优化设计

航空航天结构对超轻质大跨度框架类结构提出了迫切的需求,考虑纤维增强复合材料框架结构宏观与微观的可设计性,基于结构与材料一体化优化理念,研究了复合材料框架结构宏观拓扑与微观纤维铺层参数并发优化的双尺度优化问题。以宏观管件构件内半径与微观连续纤维缠绕角度为两类独立的设计变量,建立了以最小化结构柔顺性为目标函数、材料用量为约束的双尺度复合材料框架结构优化列式,给出了宏微观设计变量灵敏度信息的求解算法。讨论并对比了单尺度微观纤维缠绕角度优化、宏观截面拓扑优化与宏微观双尺度并发优化。数值算例表明,双尺度并发优化设计可进一步发掘结构与材料的承载潜力,实现既定性能下的结构轻量化设计。     

复合材料层板损伤后刚度衰退的实验研究

对复合材料单向板进行了0°、90°、45°拉伸实验,对铺层为[0°/90°]、[±45°]的层合板进行了拉伸实验,对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维缠绕的NOL环试样分别进行了短梁剪切实验。实验结果表明:碳纤维/环氧树脂基体复合材料单向板没有明显的非线性行为,而层合板在树脂开裂、面内及层间剪切破坏导致的刚度降低却很明显。层间剪切破坏不仅导致剪切刚度的降低,还会引起弯曲刚度的降低。玻璃纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材料在三点弯曲实验过程中体现了较强的抗损伤能力,韧性较好;而碳纤维增强树脂基复合材料抗层间损伤能力较差。本文用标准实验方法,跟踪载荷-变形曲线,得到了用于应力分析的刚度衰减系数。用最大应力准则及实验得到的刚度衰减系数,对直径为1400mm的纤维缠绕壳体进行了变形分析,计算结果与实验值一致性较好。     

主动约束阻尼板压电层电压拓扑优化研究

建立主动约束层阻尼板有限元模型,以结构模态阻尼比最大化为目标函数,压电层总电能消耗为约束条件,压电层单元控制电压为设计变量,对主动约束层阻尼板压电层电压进行了拓扑优化,获得了压电层电压最优拓扑分布。通过引入虚拟设计变量,将压电层电压控制不连续问题转化为连续问题。考虑实际工程应用的需要,采用指数函数对电压中间变量进行惩罚。在灵敏度分析基础上,采用移动渐进线(MMA)法,求解了主动约束层阻尼板电压拓扑优化问题。数值算例证实了电压拓扑优化模型以及数值求解方法的有效性。     

复合材料旋转壳自由振动分析的新方法

提出了一种半解析区域分解法来分析任意边界条件的复合材料层合旋转壳自由振动. 沿壳体旋转轴线将壳体分解为一些自由的层合壳段, 视位移边界界面为一种特殊的分区界面;采用分区广义变分和最小二乘加权残值法将壳体所有分区界面上的位移协调方程引入到壳体的能量泛函中, 使层合壳的振动分析问题归结为无约束泛函变分问题. 层合壳段位移变量采用Fourier 级数和Chebyshev 多项式展开. 以不同边界条件的层合圆柱壳、圆锥壳及球壳为例, 采用区域分解法分析了其自由振动, 并将计算结果与其他文献值进行了对比. 算例表明, 该方法具有高效率、高精度和收敛性好等优点.     

纳米增强预浸料缠绕立管参数敏感性分析

复合材料立管结构参数与立管力学性能存在紧密的关联性,掌握设计参数对缠绕立管力学性能的影响规律非常必要．考虑缠绕工艺引起的孔隙缺陷,基于复合材料弹性理论及孔隙微观理论模型,构建了纳米增强预浸料缠绕立管形变模型;其次,采用局部敏感度分析法,分别讨论了缠绕立管应力与位移对孔隙含量、孔隙形状、纳米颗粒含量、纤维体积含量、缠绕层数、缠绕角度及内压的局部敏感性;最终,数值结果表明：孔隙含量对轴向应力的影响局部敏感性较强,在孔隙含量为2.8 %~3.2 %之间时,轴向应力的局部敏感性数值快速从负数增长到正值;而孔隙的引入,使得其它设计参数对立管应力与位移的局部敏感性数值的变化趋势无明显影响,但大大影响了敏感性的数值大小;此外,径向位移对孔隙、纳米颗粒含量等所有参数明显不敏感．     

卫星用复合材料压力容器力学特性研究

为了研究航天复合材料压力容器内衬与复合材料双层壳体的力学特性,通过优化复合材料网格理论算法,针对钛合金内衬(TC4)/碳纤维(T1000GB)缠绕柱形复合材料压力容器进行了应力应变特性分析.以纤维预紧应力为自变量,研究其对内衬/纤维双层壳体在预紧压力、工作压力、验证压力和爆破压力下应力的影响,提出了优化设计的解析解法,指出内衬与复合层力学特性对容器性能的影响机理,为结构设计和同类产品设计提供了计算方法和理论指导.     

铁电薄膜在红外辐射作用下的响应

研究了红外探测器中红外焦平面列阵的象元———铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的输出信号。用层合板壳作为微桥结构的力学模型,中间一层为压电材料,上下两层为金属材料电极。采用了力-热-电耦合的控制方程和变分原理,推导出了基于Mindlin假设的压电材料层合板有限元公式。以红外探测器在夜间从飞机上探测地面的坦克为例,用有限单元法模拟了铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的力、热、电输出信号,并对结果作了分析比较。     

复合材料加筋板铺层优化设计的等效弯曲刚度法

借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,建立了一种复合材料加筋板铺层顺序优化设计算法.等效弯曲刚度法基于层合板的弯曲刚度与其失稳载荷一一对应的关系,将任意铺层顺序的层合板等效成一个只有8层的对称铺层的辅助层合板,通过优化辅助层合板,得到层合板的最优弯曲刚度参数,最后以获得的最优弯曲刚度参数为约束应用遗传算法进行铺层顺序优化,获...     

铁电薄膜在红外辐射作用下的动力响应

本文研究了红外探测器中红外焦平面列阵的象元———铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的输出信号。用层合板壳作为微桥结构的力学模型,中间一层为压电材料,上下两层为金属材料电极。采用了力-电-热耦合的控制方程和变分原理,考虑了铁电薄膜的惯性力,推导出了基于Mindlin假设的压电材料层合板有限元公式。以红外探测器在夜间从飞机上探测地面的坦克为例,用有限单元法模拟了铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的力、热、电输出信号,并对结果作了分析比较。     

复杂板-腔系统声振耦合机理分析

以敷设多层粘弹性层的复杂弹性板-声腔声振耦合模型为研究对象,结合多层介质声阻抗方法及波数扩展,采用模态展开法推导出点激励作用下耦合系统振动和声场形式解,通过数值计算探索了弹性板参数和粘弹性层参数对弹性板振动和腔内声场的影响规律,并进一步分析了粘弹性层的抑振降噪效果。结果表明:改变弹性板参数对结构振动影响较大;粘弹性层参数对振动和声场影响较显著,其抑振降噪效果主要集中在1000Hz以上中高频段。     

月壤样品袋整形缠绕运动分析与仿真

月壤样品袋整形是探月工程月壤采样的重要一环。传统仿真分析是按照给定的几何参数和材料参数进行动力学建模。本文运用逆向思维，在样品袋顺利缠绕条件下，建立整形缠绕系统的运动学模型；根据样品袋顺利缠绕的运动方程和受力分析，得到顺利缠绕的卷筒驱动条件和结构运动参数范围。结果表明，导向套运行速度是影响缠绕的关键因素，且需要与卷筒角速度匹配调整。当卷筒角速度为0.6 r/min时，导向套运行速度调整为11.63 mm/min，可以使样品袋重叠点和失效范围达到最小。研究结果为样品袋整形缠绕系统设计提供了参考。