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．     

考虑强度与固化变形的复合材料加筋壁板铺层优化方法

加筋壁板是复合材料飞行器主承力构件的主要结构形式,通过复合材料铺层参数设计可以有效优化壁板的强度,但铺层参数的变化也会影响壁板的固化变形.因此,复合材料加筋壁板铺层设计过程中需要综合考虑整体强度和固化变形.本文针对复合材料加筋壁板结构,建立了失效分析模型和固化变形分析模型;基于实验设计方法、NSGA-Ⅱ遗传算法以及上述分析模型,建立了综合考虑强度与固化变形的加筋壁板铺层优化方法.优化结果显示复合材料加筋壁板在强度提高的同时,固化变形显著降低.     

基于无网格法的非均匀弹性地基上变厚度加筋板弯曲与固有频率分析

采用基于移动最小二乘近似的无网格方法并结合一阶剪切变形理论,分析了非均匀弹性地基上变厚度加筋板的弯曲和固有频率问题.首先,用节点对变厚度板和筋条分别进行离散,导出变厚度板和筋条的势能;其次,利用筋条与变厚度板之间的位移协调条件将筋条的节点参数转换为板的节点参数,再将两者的势能进行叠加得到变厚度加筋板的总势能,并根据能量法得到其动能;最后,利用最小势能原理及Hamilton原理分别得到弯曲控制方程与振动控制方程.由于采用的方法不能直接施加位移边界,故采用完全转换法处理位移边界.本文先计算变厚度板的弯曲及非均匀弹性地基板的固有频率,与文献对比验证方法的有效性;然后对非均匀弹性地基上变厚度加筋板弯曲与 自由振动进行了计算,并将计算结果与有限元结果进行了对比.结果表明,本文方法计算所得结果与文献解及有限元结果之间的误差均小于5％,验证了该方法在计算非均匀弹性地基上变厚度加筋板弯曲与固有频率问题的有效性.     

Theoretical analysis of the sound absorption characteristics of periodically stiffened micro-perforated plates

The vibro-acoustic responses and sound absorption characteristics of two kinds of periodically stiffened micro-perforated plates are analyzed theoretically. The connected periodical structures of the stiffened plates can be ribs or block-like structures. Based on fundamental acoustic formulas of the micro-perforated plate of Maa and Takahashi, semi-analytical models of the vibrating stiffened plates are developed in this paper. Approaches like the space harmonic method, Fourier transforms and finite element method （FEM） are adopted to investigate both kinds of the stiffened plates. In the present work, the vibro-acoustic responses of micro-perforated stiffened plates in the wavenumber space are expressed as functions of plate displacement amplitudes. After approximate numerical solutions of the amplitudes, the vibration equations and sound absorption coefficients of the two kinds of stiffened plates in the physical space are then derived by employing the Fourier inverse transform. In numerical examples, the effects of some physical parameters, such as the perforation ratio, incident angles and periodical distances etc., on the sound absorption performance are examined. The proposed approaches are also validated by comparing the present results with solutions of Takahashi and previous studies of stiffened plates. Numerical results indicate that the flexural vibration of the plate has a signif- icant effect on the sound absorption coefficient in the water but has little influence in the air.     

加筋碟形薄壳的塑性屈曲分析

本文采用非线性前屈曲一致理论分析均布外压下加筋碟形薄壳的塑性屈曲问题，建立了这类壳体的能量表达式和屈曲方程，给出了简明的计算格式，数值分析结果表明，所导出的算法具有较好的精度，计算过程也简单方便。     

含初始缺陷复合材料格栅加筋圆柱壳的鲁棒优化设计

针对复合材料格栅加筋圆柱壳具有多约束、连续变量和非连续变量混合的特性,基于复合材料中厚圆柱壳体的非线性稳定性理论,考虑优化目标和约束鲁棒性,采用混合遗传算法,提出了一种非完善复合材料格栅加筋圆柱壳的鲁棒优化设计方法.应用正交设计理论确定主要的鲁棒优化设计变量,简化了运算过程,从而提高了优化分析效率;同时又采用五点差分格式代替梯度运算,解决了在优化计算过程中不可求导的问题.通过典型算例表明,鲁棒优化设计所得到的优化分析结果与传统确定性优化方法相比差别较大,此外壳体的初始缺陷亦将对优化结果产生很大的影响.     

热环境下复合材料壁板的振动特性分析

针对飞行器中常见的壁板结构,运用能量原理和变分方法,建立了定常温度场下复合材料壁板振动的控制方程以及相应的有限元分析模型。分析了热环境对壁板振动特性影响的机理,同时提出了一种针对热环境下复合材料壁板振动特性分析的线性化计算方法。采用这种方法,热环境的影响以一个热刚度项和一个热载荷项的形式出现在常温下的振动运动方程中,由此可以较准确地模拟热效应对结构振动特性的影响。通过对热环境下复合材料壁板振动固有特性数值分析结果的对比,验证了本文方法的可行性和计算精度。同时分析结果表明,热效应产生的诱导应力对结构刚度的影响是导致壁板固有振动频率降低的主要原因。     

周期性加筋板中的波传播特性

本文利用周期性结构的交互变分原理分析加筋板的波传播特性。并引进升阶谱有限元以提高计算精度，验证了该方法在高频区域的有效性。最后，分析了加筋板的长宽比，加筋状态及边界条件对结构波传播的影响。     

复合材料加筋壁板的优化设计

本文用简化的方法,考虑了受压及压剪联合作用的复合材料加筋壁板的总体屈曲和局部屈曲、材料强度、刚度、轴向应变等因素以及其它工程要求的影响,用数学规划法提出壁板的优化设计问题,用乘子罚函数法求解。以石墨-环氧帽型加筋板为例,所得优化设计结果与NASA得出的最优曲线一致,证明了所用方法的可靠性,并可进一步推广应用于工程实践。