基于板理论的层级褶皱结构失效模式分析

本文基于弹性板理论和夹层板理论对二级层级褶皱结构失效模式进行了分析。通过对基本构件进行受力分析得到了载荷与结构变形之间的关系。根据6种失效模式的定义,从极限载荷或极限应力角度出发,分析了在压缩载荷和剪切载荷工况下的各种失效模式,给出了结构单胞对应的等效正应力和等效切应力表达式。由最小失效强度得到了各失效模式之间的占优关系,并构建了失效机理图来阐释这一机制。最后通过与有限元分析结果比较,分析了本文公式的精度,与数值解吻合较好。     

层级褶皱结构夹层板的等效弹性常数

针对二级层级褶皱结构夹层板,通过变形协调研究了其等效弹性常数。首先对一级层级褶皱结构进行正交各向异性等效,得到一级等效弹性常数;将二级层级褶皱结构看成是由正交各向异性材料组成的三角形桁架夹心,将二级层级褶皱结构等效为均匀连续正交各向异性板,依据夹层板面板与夹心变形协调特点得到夹层板整体等效弹性常数。结合结构几何参数对等效公式的误差进行了讨论,并对等效公式做出修正。通过与数值分析结果对比,表明本文提出的等效公式具有较高精度。     

褶皱缺陷对复合材料拉伸性能的影响规律: 试验及数值模型

复合材料层合板在制造过程中会不可避免地产生各类缺陷, 纤维褶皱缺陷是最为常见的缺陷形式之一. 为了探究褶皱缺陷对复合材料层合板纤维方向拉伸性能的影响, 制备了不含褶皱缺陷的高强玻璃纤维复合材料试验件, 以及4种含有纤维褶皱缺陷的试验件. 对制备的5组试验件进行了准静态拉伸试验, 通过数字图像相关(DIC)技术测量了试验件的位移及应变. 通过试验, 研究了褶皱高宽比、褶皱角度对静强度及失效模式的影响. 试验发现, 含褶皱缺陷复合材料的静强度相比无缺陷复合材料降低40%以上, 并且褶皱高宽比越大, 或褶皱夹角越大, 复合材料的静强度越低. 与此同时, 发现褶皱缺陷会显著改变复合材料的失效模式, 使得原本单向纤维增强复合材料在纵向拉伸载荷作用下的炸裂失效变为纤维断裂失效和轻微的炸裂失效. 此外, 为了建立复合材料静强度与褶皱几何参数(高宽比和褶皱角度)之间的关系, 使用多可信度机器学习算法构建了褶皱缺陷对复合材料静强度的影响模型, 通过有限的试验数据预测了不同褶皱缺陷对复合材料静强度的影响规律. 结果表明, 构建的模型仅用极少的试验数据即可准确反应褶皱高宽比和褶皱角度对复合材料拉伸强度的影响, 为研究含缺陷复合材料的力学性能提供了新方法.     

基于多层级LSTM的铝板缺陷检测

铝板因其优良的抗疲劳性和延展性广泛应用于航空航天和建筑等领域. 然而在生产过程中, 由于外部环境、操作工艺等的限制往往会产生各种各样的缺陷, 从而影响其力学性能, 例如会降低铝材料的强度、延展性和韧性等, 导致其使用寿命的缩短. 在单次发射和接收超声波的情况下, 论文提出了多层级长短期记忆(long short-term memory, LSTM)神经网络的方法, 用于辅助检测铝板的夹杂(气泡)缺陷. 利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟含有夹杂缺陷的铝板中超声波的传播过程, 导出含有缺陷信息的波形数据, 通过训练波形数据, 得到可以反映波形数据与夹杂缺陷大小和位置关系的网络模型. 此外, 该模型采用硬投票的方法以缓解网络训练过程中繁杂的参数调整问题, 提高了检测结果的可靠性. 结果表明: 夹杂缺陷半径检测的准确率超过了98%, 夹杂缺陷深度检测的准确率达到1, 夹杂缺陷横坐标位置检测的准确率超过95%. 为LSTM神经网络应用于超声无损检测提供了借鉴.     

杆系结构静强度和疲劳失效机理及可靠性分析

根据疲劳载荷造成的疲劳累积损伤对结构极限承载力的影响情况,讨论了结构系统承载能力的可靠度计算方法,分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的两种失效模式,并考虑了二者之间的相关性对该单元可靠性的影响,具体分析了结构系统在这两种载荷作用下的失效机理,给出了在这两种载荷作用下结构系统的可靠性分析方法. 算例表明,在不同的使用年限内,静载和疲劳载荷对结构系统可靠性的影响是不同的;在结构系统主要失效路径中既有单元静强度失效又有单元疲劳失效,这是符合结构系统使用真实情况的.     

等离子喷涂层接触疲劳失效模式及失效机理的研究

研究了等离子喷涂层在不同应力水平下的接触疲劳失效模式与声发射幅值的对应关系,并分析了涂层的接触疲劳失效机理.结果表明:声发射幅值与接触应力的大小无明显的关系,根据疲劳失效时的声发射幅值可以判断涂层接触疲劳失效模式,幅值为87～93 dB时易发生剥落或分层失效,幅值为78～83 dB易发生点蚀失效.涂层表面微凸体与轴承球滚压接触产生黏着磨损以及涂层、磨粒、轴承球三者形成的三体磨料磨损是点蚀失效产生的主要原因.剥落失效主要与涂层表面微观缺陷处裂纹的萌生、扩展以及表面磨损行为有关.层内分层失效是由涂层内部最大剪切应力控制的,而界面分层失效主要是由涂层与基体的低结合强度、热失配以及界面剪切应力造成的.     

空间充气薄膜结构的褶皱分析

引入一个表征褶皱在纹理方向收缩特性的参数``收缩系数'来替代泊松比参与计算褶皱形变,并联合褶皱产生时的应力条件和褶皱特性,实现了对空间充气薄膜结构的褶皱分析,得到了褶皱存在时的充气薄膜结构的应力场和变形. 分析中重点讨论了``收缩系数'与泊松比的关系,并讨论了引入``收缩系数'约束变形后的变形协调条件. 将两维的褶皱分析方法拓展应用到三维充气结构的褶皱分析中,分析了充气管的弯皱变形,得到了临界皱曲和极限弯矩随结构及力学参数的变化规律. 通过简单的褶皱试验,定性地分析了褶皱的形变特性并与分析结果进行了比较验证,结果一致.      

薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化研究

新一代航天装备的主承力薄壁舱段在追求极致轻量化的同时,还具有更高的刚度和抗屈曲等设计指标.传统结构形式和设计方法难以满足轻质高承载的设计要求.为此,本文提出了一种薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化方法,通过构建主层级稀疏加筋和次层级密集点阵增强结构整体和局部力学性能,扩展结构设计空间,有效提升材料利用率.其中,主层级加筋布...     

空间薄膜阵面结构褶皱的实验研究

阵面薄膜上的褶皱会显著影响航天器性能,褶皱控制也是薄膜航天器研发的难点。本文采用白光扫描技术,测试了一个正方形薄膜阵面结构在纯剪切作用下的褶皱特性。测试结果显示,随着剪切力的增大,结构膜面褶皱数增加,褶皱幅度增大,膜面平整度降低。随着膜面预应力的增大,膜面上的褶皱数略有增大,褶皱幅度有所减小,膜面平整度有所提高。测试结果还显示,膜面上粘结缝的存在、以及粘结缝与剪切力间的方位关系对膜面褶皱有复杂的影响。论文所得结论对薄膜阵面结构设计研发具有参考价值。     

空间薄膜结构的褶皱形变预测

空间充气结构技术是一项全新的空间结构构建技术,基于该技术的空间充气结构是未来空间任务的主要需求对象．该结构主要由薄膜构成,因此结构形面精度的保持是关键问题．褶皱是薄膜特有的现象,它的存在会严重影响结构形面精度,因此进行褶皱研究很有必要．根据屈曲理论联合薄膜褶皱的实际构型建立了薄膜结构褶皱的预测模型,分析了矩形平面薄膜受面内水平剪切情况下的褶皱,得到了褶皱幅度和褶皱波长以及薄膜结构产生褶皱时的临界压缩应力,通过与已有文献结果及本文实验结果的比较验证了该分析方法的有效性和结果的正确性．