基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

液体晃动等效力学模型的参数识别

本文研究确定贮箱内液体晃动等效力学模型的参数的试验方法。通过对充液贮箱试验系统的简化分析得到系统的传递函数表达式,应用频响函数拟合方法得到了模型参数,在曲线拟合过程中利用权函数解决液体晃动的非线性影响因素。应用本文所述方法研究了某型号卫星推进剂贮箱的液体晃动问题。     

微重力条件下部分充液贮箱气液界面波动特性的数值模拟

微重力环境中部分充液贮箱内气液界面和气、液两相介质在残余重力或加速度干扰下的运动特征是先进空间流体管理技术的基础. 本文针对空间贮箱常用构型和实际尺寸, 基于邦德数相似准则设计了3个缩比模型, 数值模拟了原型贮箱和缩比模型中加速度变化引起的贮箱内气液两相流动及气液界面上界面波的传播. 数值模拟结果验证了原型和模型间的运动相似性, 发现在满足邦德数相似准则的前提下, 系统还近似满足韦伯数相似准则, 或等价地, 近似满足弗劳德数相似准则. 此外, 数值模拟结果也表明原型和模型间的运动存在细微偏差, 这主要源于黏性耗散作用的差异. 由韦伯数相似准则可知, 缩比加大, 贮箱尺寸减小, 重力突变后由表面张力释放出来的驱动力增强, 相同韦伯数下流动速度增大, 黏性耗散作用随之增强, 本文的数值模拟结果证实了该结论. 相关结果可以用于指导空间贮箱流体管理技术的地面模拟试验的方案设计等.      

任意三维贮箱内液体晃动的模态分析及其等效力学模型

本文采用有限元方法建立了数值求解任意三维贮箱内液体晃动固有频率和摸态、动力特征参数的通用程序，利用ANSYS有限元前处理模块．使得程序的通用性达到最大化。通过对液体受迫晃动的结果分析，发现了三维晃动中贮箱外激励与模态响应之间的复杂关系．并且提出了建立液体受迫晃动的等效力学模型的方法。本文以油罐车充液贮箱为例，数值研究了贮箱端部不同所引起的动力学差异，给出了晃动频率和晃动质量的变化曲线。     

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.     

双向固定网格渐进结构优化方法

近年来发展的渐进结构优化方法是一种有前途的结构拓扑和形状优化方法.本文在渐进结构优化方法的框架内建立了统一敏感度的概念,并基于固定网格有限元技术,发展了一种新的增加材料技术,提出了双向固定网格渐进结构优化方法.将该方法应用于复合材料壳结构开孔形状优化,以孔周等Tsai-Hill强度值作为优化目标,可以得到合理的最优解,证明了双向固定网格渐进结构优化方法的适用性.不同的初始点能得到几乎相同的最优解,展示了本文方法良好的全局最优性.     

分级型放射肋短壳结构集中力扩散优化设计

在航天箭体结构设计中,燃料贮箱因其特殊的连接形式往往受较大的集中力作用。传统的放射肋短壳结构被用来扩散集中力以减小其造成的危害,但实际效果并不理想。本文基于拓扑优化的概念设计,综合实际短壳结构承载环境和可制造性,提出了一种"分级型放射肋"贮箱短壳结构。围绕刚度、强度、减重、稳定性和集中力扩散效果等多种需求,基于NSGA-Ⅱ遗传算法建立了多目标优化问题模型。通过形状和尺寸的协同优化策略,得到多目标优化的最优Pareto解集。通过三层级、两层级、单一层级最优设计与传统均匀放射肋设计的对比,验证了分级型放射肋设计的优势和效果;之后,结合实际工程要求选择合理的设计方案。     

充液矩形贮箱弹性箱底板应力与变形分析

基于相容拉格朗日-欧拉法,通过对流场与弹性固体间流固耦合作用的分析,得到了矩形贮箱弹性底板流固耦合系统的自由振动微分方程。将伯努利方程与外加激励条件、速度势函数耦合到自由振动方程中,采用迦辽金积分法,给出了矩形贮箱在流体作用下的应力与变形的解析解。讨论了弹性底板的抗弯刚度、结构尺寸、底板材料参数及流体深度等因素对底板应力与变形的影响。研究结果表明:在液体晃动非线性激励作用下,贮箱底板的应力和变形随着液体深度、板长的增大而增大,随着板厚的减小而增大,且成非线性变化关系;底板的变形及应力与底板的材料常数相关,其中板厚的变化对其变形和应力影响要比板长及液体深度的影响显著得多。本文结果可为工程实际中矩形贮箱的设计提供参考。     

俯仰运动圆柱贮箱中液体的非线性晃动

首次对储仰运动圆柱贮箱中液体的有限幅值晃动问题进行了解析研究。首先建立了描述俯仰和／或偏航运动贮箱中液体晃动的非线性偏微分方程组,而后提出了相应的变分原理,建立了压力体积分形式的Ｌａｇｒａｎｇｅ函数,通过变分方程,最终得到措述俯仰和／或偏航运动圆柱贮箱中液体晃动的非线性动力学微分方程组,该动力学方程组自然满足液体自由表面的运动学和动力学办界条件。而后动用多尺度法求解了所得的动力学方程组,对非线性液     

失重状态下旋转液体液面形状分析

本文研究失重状态下圆柱形贮箱内稳态旋转液体的液面形状,液面和贮箱的上下底面相接触.导出了液面形状的计算公式,分析了液面不破裂条件及临界转速,并给出了液面与贮箱底面接触半径及液面中心半径的确定方法.     

代理模型在机翼油箱晃动适航审定中的应用

飞机飞行过程中,机翼油箱易受扰动或激励作用而产生低频晃动,引起机翼油箱壁面变形失效.本文将响应面代理模型引入飞机复合材料燃油箱晃动适航审定工作,以晃动频率、晃动幅值和油箱载液比为自变量,以油箱外壁面最大主应变峰值为响应,建立了油箱上下蒙皮响应面统计模型,给出油箱上下蒙皮最大主应变峰值与激励频率、幅值和油箱载液比等因素的显式响应函数.开展物理全尺寸试验和流固耦合数值模拟验证代理模型的有效性.结果 表明,上下蒙皮最大主应变峰值呈非线性趋势,存在最危险载液比使得主应变峰值最大化,且油箱破坏多发生在下蒙皮.     

多破片高速冲击下飞机油箱水锤效应数值模拟

作为飞机燃油箱的一种主要损伤模式,水锤效应可能引起油箱结构灾难性的破坏。针对实战环境中多枚破片冲击同一油箱的常见现象,在建立与试验对比一致的单枚破片冲击满水油箱数值模型后,以箱内液体特定单元压力峰值、破片速度衰减、箱内液体吸收的总能量以及油箱壁板变形作为对比参量,分别开展数值模拟,分析其在2枚破片不同间距打击、2枚破片不同时间间隔打击以及多枚破片同时打击时的水锤效应。结果表明:箱内液体的压力峰值来源于破片入水后形成的冲击波,多枚破片入射时液体压力有明显的叠加效应;2枚破片不同时入射将导致先入射破片剩余速度增高;油箱壁板的变形随入射破片数量的增加显著增大。     

EQUIVALENT DYNAMICS MODELING AND ANALYSIS OF LIQUID-FILLED SPACECRAFT WITH FUEL CONSUMPTION 1)

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.     

燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.      

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

典型密封元件的失效分析与失效过程研究

飞机整体油箱结构的密封性对飞机安全性和续航能力有很大影响,所以密封胶失效分析和失效过程研究就显得相当重要．为了研究密封胶的失效,根据密封胶的受力特点,本文设计了典型元件的密封试验（平板型和T型）,通过试验得到了这两种结构的失效载荷和最大载荷．同时,利用有限元模拟软件ABAQUS对试验进行了模拟计算,使用cohesive模块实现对密封胶层的模拟．通过观察胶层失效过程,得到了胶层失效后的破坏路径,找到了容易发生泄漏的位置,并给出了失效载荷与最大载荷的关系．通过对比试验结果和模拟计算结果,验证了有限元模拟分析的可靠性,并对结果进行了讨论．     

Reliability assessment of post-buckling compressive strength of laminated composite plates and stiffened panels under axial compression

A method for reliability assessment of the post-buckling compressive strength of laminated composite plates and stiffened panels under axial compression is presented in the paper. The prediction of the post-buckling compressive strength is performed by a progressive failure analysis which was developed based on a progressive stiffness degradation model and a nonlinear finite element analysis with a new explicit through-thickness integration scheme. A method coupled with the finite element analysis is proposed for reliability assessment where a finite difference method combined with an improved first-order reliability algorithm that omits the non-important random variables but retains sufficient accuracy was developed for reliability estimation. Two numerical examples are described demonstrating the capabilities of the method developed.     

基于响应面法的复合材料连接结构可靠性分析

复合材料的力学性能参数比金属材料呈现出更大的分散性。本文提出采用加权线性响应面法对复合材料单钉连接结构进行可靠性分析。采用三维有限元模型进行复合材料单钉连接的确定性渐进失效分析。单向铺层的力学性能参数和强度参数均考虑为输入随机变量,用于可靠性分析。详细研究了不同失效准则和不同刚度退化方法的影响。结果表明,Olmedo-Santiuste失效准则与Camanho-Matthews刚度退化方法的组合能够给出与试验均值最接近的强度分析结果。另外,还仔细研究了响应面参数f的影响。结果表明,取f=1的线性加权响应面能够为复合材料单钉连接可靠性分析提供较好的统计特性逼近值。     

STAGS computational procedure for progressive failure analysis of laminated composite structures

Non-linear analyses are difficult simulations to perform and place increased demands not only on the computational systems but also on the analyst. The number of possible problems and/or difficulties increases significantly compared to those for linear elastic analyses. Combined material and geometric non-linearities challenge the analyst and the solution algorithms. Progressive failure and damage propagation for composite structures result in even more complexities due to the discrete, abrupt changes in local material stiffness. Analysts need to interrogate the computed solutions carefully based on their understanding of structural mechanics, material behavior, computational procedures and non-linear phenomena to distill correct physics from such simulations. This paper describes the computational strategy incorporated into the STAGS non-linear finite element analysis code with special emphasis on progressive failure analysis of laminated composite structures. Results for selected laminated composite structures are used to demonstrate the PFA capability.