復合材料格柵加筋板的平鋪等效剛度法

采用數(shù)值分析方法研究了沖擊后含損傷的復合材料格柵加筋板的后屈曲特性?；趍indlin一階剪切理論和vonkarman大撓度理論,建立了沖擊后蒙皮內含分層損傷復合材料格柵加筋板后屈曲分析的有限元方法;分析中同時考慮了蒙皮和肋骨中纖維斷裂、基體開裂等損傷累積造成的剛度的退化和蒙皮分層子板間的閉合接觸效應,為含損傷復合材料格柵加筋板的后屈曲特性研究提供了一種有效的數(shù)值分析方法。分析結果表明,蒙皮分層面積較大時,格柵加筋板出現(xiàn)蒙皮分層上子板的局部屈曲后仍然具有較強的繼續(xù)承載能力,而在后屈曲分析中,應考慮損傷累積對格柵加筋結構承載能力的影響;采用非線性虛擬界面元可成功處理分層子板間的閉合接觸效應。

通過建立復合材料格柵結構單元的基本力學假設和分析模型,推導了一種新的等效剛度計算方法,用于分析復合材料格柵加筋板的總體穩(wěn)定性。該方法充分考慮了筋條和面板的相互作用和中面偏移效應,并具有通用性。結合rayleigh-ritz能量近似法,推導出了求解加筋板總體屈曲載荷的通用特征方程;分析了多種算例,并與修正平鋪法進行了比較,結果吻合得很好。

先進復合材料格柵加筋結構有較高的結構效率和較好的設計性能,在航空航天領域有著廣泛的應用。本文采用等效平鋪剛度模型對格柵結構進行了力學分析,指出其屈曲載荷的求解方法,并用區(qū)間方法對工程中的非概率不確定因素進行定量,用遺傳算法對格柵結構進行了可行穩(wěn)健性優(yōu)化設計。將穩(wěn)健性優(yōu)化的結果與傳統(tǒng)優(yōu)化的結果進行了比較,結果表明,穩(wěn)健性優(yōu)化得到的結構質量要高于傳統(tǒng)方法,但結構的可靠性和穩(wěn)健性顯著提高。

數(shù)字投影條紋形貌測量方法具有非接觸、全場性、測試儀器結構簡單及測量精度高和實時自動處理等優(yōu)點,能實時檢測物體表面形貌的演化過程.使用四幅正弦相移條紋圖像循環(huán)投影到正交肋增強的復合材料層合板上,采用相移法實時監(jiān)測層合板在壓縮過程中的形貌變化過程.測量結果顯示復合材料層合板在各個正交增強網(wǎng)格內出現(xiàn)局部屈曲波包,在端部附近網(wǎng)格內表現(xiàn)為波峰,而在中間附近網(wǎng)格內顯示為波谷.通過對指定位置的撓度分析可知,在整體試樣彎曲的基礎上,網(wǎng)格內的局部屈曲撓度隨載荷而增加,實驗測量數(shù)據(jù)有利于探討其破壞機理及失效模式.

介紹了一種"工"字型加筋板試驗件及其玻纖復合材料加載板的研制工藝過程,采用手糊玻纖復合材料墊板及泡沫塑料做擋條的模壓成型工藝,研制出非均衡嵌入式等高加筋板,玻纖復合材料加載板與加筋板長桁達到等高且嵌入式無縫隙填充,消除試驗夾具的誤差,達到設計要求。

對在壓縮載荷下先進復合材料等三角形格柵加筋板結構(ags)后屈曲階段的分層起裂和擴展過程進行了研究?；谝浑A剪切變形理論和von-karman幾何非線性關系,提出了ags結構后屈曲有限元分析模型;基于總能量釋放率準則,并利用虛裂紋閉合法(vcct)及自適應網(wǎng)格的生成和移動技術分析了分層損傷的擴展過程,在分析過程中考慮了分層前緣的接觸效應。并通過典型算例,討論了不同的初始分層尺寸、肋骨剛度對等三角形格柵加筋板結構的分層起裂和擴展過程的影響,通過與具有相同幾何尺度的正交格柵加筋板結構的比較,說明等三角形格柵加筋板結構具有較高的抗分層能力。本文方法和所得結論對ags結構的承載能力預測和設計將具有參考價值。

在新型、高效的拉擠互鎖復合材料格柵結構的制造工藝中通過格柵肋開槽克服材料堆積,而開槽處的應力集中會影響結構的破壞和疲勞,是結構設計中需要考慮的一個重要因素。建立了加帽的格柵肋應力分析模型,應用復變函數(shù)孔口問題解的結果,得到了格柵肋開槽附近的應力解。分析了格柵肋開槽處的應力集中,討論了開槽尺寸,材料常數(shù)等因素對應力集中的影響。

本文討論了復合材料不規(guī)則截面梁等效剛度計算在工程軟件中的實現(xiàn)策略。以msc.patran為平臺,通過其自動加載編譯函數(shù)文件、參數(shù)化建模、用戶自定義菜單和圖形界面、自動提交分析和讀取結果等強大的前后處理功能,使用pcl語言開發(fā)了復合材料不規(guī)則截面梁等效剛度計算軟件,提高了飛機結構設計和強度計算人員的工作效率。

針對復合材料加筋板結構的布局和鋪層優(yōu)化問題,發(fā)展了一種二級優(yōu)化設計技術。第一級采用基于近似模型技術的布局優(yōu)化方法,以筋條形式、個數(shù)、截面形狀和鋪層厚度作為設計變量,以結構質量最輕為目標函數(shù),實現(xiàn)加筋板結構布局形式和截面尺寸的布局優(yōu)化;第二級借助于等效彎曲剛度法和遺傳算法,考慮層合板的制造和工藝約束,以層合板的各鋪層角作為設計變量,以層合板彎曲剛度系數(shù)與上一級優(yōu)化所給最優(yōu)彎曲剛度系數(shù)之間的誤差最小為目標,實現(xiàn)了復合材料加筋板在固定鋪層層數(shù)下的鋪層順序優(yōu)化;在二級優(yōu)化的基礎上,通過協(xié)調穩(wěn)定性約束,實現(xiàn)綜合優(yōu)化。算例表明:采用二級優(yōu)化設計方法,可以很好地實現(xiàn)復合材料加筋板的布局優(yōu)化設計。

為了提高使用材料的穩(wěn)定性和有效性,針對航空航天飛行器中的典型結構復合材料加筋曲板的屈曲及后屈曲問題,根據(jù)等效寬度法的解析表達式,提出了一種快速計算方法,用matlab實現(xiàn)了屈曲臨界載荷的數(shù)值解。改進方法與參考文獻試驗結論和有限元仿真有很好的一致性。研究了筋條高度變化對扭轉剛度、彎曲剛度的影響,以及筋條高度與極限載荷、等效寬度之間的關系,為加筋板的實際工程開發(fā)和應用提供了便捷方法。

根據(jù)復合材料的力學特性,結合有限元理論和工程經(jīng)驗,提出了一種計算復合材料加筋板結構后屈曲承載能力的工程簡化理論與方法,并以復合材料j型加筋板計算模型為例,從工程角度說明了計算后屈曲承載能力的思路與公式.利用該方法通過算例計算,將計算結果與實驗結果進行對比,發(fā)現(xiàn)該種復合材料加筋板穩(wěn)定性計算方法可以解決后屈曲的幾何非線性帶來的計算難度,能保持較高的精度,并可用于飛機結構設計的實際應用中.

復合材料低成本制造技術是先進復合材料格柵結構能否廣泛應用的關鍵。目前,以混合工藝法、模具膨脹工藝和拉擠-互鎖及其增強改進工藝為代表的工藝方法已經(jīng)取得較大的成功和應用,我們應該繼續(xù)研究可靠性高、可重復性強和自動化的成型工藝方法,引進和發(fā)展大型ags結構的自動化生產(chǎn)設備。

采用商業(yè)有限元軟件msc.nastran,運用簡單的shell單元對復合材料格柵結構蒙皮和加強筋進行模擬,預測復合材料格柵結構名義縱向拉伸強度/模量,彎曲強度/模量。計算結果表明,隨著復合材料格柵中肋高度的增加,名義彎曲強度/模量和拉伸強度/模量均有下降趨勢。

采用基于復合材料一階剪切效應理論的有限元法分別研究了含分層損傷的復合材料層合光板、單向加筋板和格柵加筋(ags)板的熱屈曲性態(tài)。在分析中考慮材料熱物理性質與溫度相關特性,同時在分層前緣采用了位移約束條件以保證分層區(qū)域的各子板的變形相容要求。3種結構的典型算例分析和結果的比較表明,復合材料格柵(ags)板具有很強的抗熱屈曲的能力,但是,分層損傷將使其臨界溫度降低,同時還會導致熱屈曲的模態(tài)發(fā)生改變。本文中提出的方法和所得結論對ags結構的熱承載能力預測和損傷容限設計將具有參考價值。

在拉擠-互鎖平板型復合材料格柵結構的制作演示基礎上,提出了幾種增強改進的方法,并實現(xiàn)了一種平板型復合材料格柵結構的制造。借助有限元模型,考慮到結構的力學性能和制作工藝,對結構的最優(yōu)化幾何參數(shù)進行了研究,建立了加帽增強平板型格柵結構幾何參數(shù)的初步設計方法。

復合材料在靜態(tài)和動態(tài)載荷作用下的損傷形式是十分復雜的,精確的模型能更深刻地揭示復合材料的損傷機理。以hahn和tsai提出的單向損傷模型為基礎建立了剛度遞降關系,運用上述剛度遞降關系給出了一個疲勞壽命算例,計算數(shù)據(jù)與試驗結果較為吻合,相對誤差分別為7.72%和8.79%。結果表明:材料在循環(huán)加載作用下的損傷過程大體上可以分為兩個階段;通過保留泰勒級數(shù)展開二次項,能準確模擬出材料的"突然死亡"行為。

以復合材料層合板各單層連續(xù)變化的鋪層角度為設計變量,在有限元軟件中對層合板結構的基頻進行優(yōu)化分析,在四邊簡支和固支兩種不同的邊界條件下,結構的基頻分別提高了4.9%和16.2%,并對優(yōu)化前后結構的靜力失效強度進行了對比分析。隨后將這種優(yōu)化方法應用到某無人機復合材料機翼格柵結構中,針對格柵結構蒙皮和肋板共計24個纖維鋪層角度進行了優(yōu)化設計,使結構基頻提高了10.6%,同時結構的承載能力也有了一定程度的提高。

分別應用半經(jīng)驗工程算法和有限元軟件msc.patran/nastran對復合材料加筋板進行剪切穩(wěn)定性計算,得到結構的失穩(wěn)臨界載荷;開展復合材料加筋板剪切穩(wěn)定性試驗,得到結構的屈曲形式、失穩(wěn)載荷、破壞過程及破壞載荷。實驗結果表明,復合材料加筋板的破壞形式主要表現(xiàn)為筋條的脫膠和蒙皮的破損,該型結構具有一定的后屈曲承載能力。研究表明,工程算法、有限元計算結果與試驗所得局部屈曲載荷較吻合,說明工程算法和有限元模擬方法可以用來對該型結構的穩(wěn)定性能進行分析,從而為該型結構的優(yōu)化設計及工程應用提供分析參考。

通過采用輔助層壓板和添加極小彈性模量材料的復合材料加筋壁板有限元建模方法,應用msc.patran/nastran的參數(shù)化建模與遺傳算法相結合的復合材料加筋壁板的兩步優(yōu)化方法,對復合材料t型加筋壁板進行了從2000n/mm到6000n/mm壓縮載荷下的結構優(yōu)化分析。提出的基于參數(shù)化模型和遺傳算法的復合材料加筋壁板的兩步優(yōu)化法分為壁板級優(yōu)化和層壓板級優(yōu)化兩部分,在壁板級優(yōu)化得到最優(yōu)的結構尺寸參數(shù),在層板級優(yōu)化得到最優(yōu)的層壓板鋪層順序。

將最優(yōu)化方法應用到復合材料格柵板的載荷重構中,基于文獻[11]所建立的前向響應模型,通過構造誤差性能指標j表征前向響應模型與實測響應的差,將載荷的反演轉換為所定義誤差性能指標極值條件的獲取,應用平滑算法對指標j的極值進行了求解;并借助分布式響應的功率梯度云和指標j極值點的搜索給出了一套由粗到精的載荷定位方法,實現(xiàn)了ags板的載荷時程和載荷位置的同時重構。算例與實驗研究表明,本文方法具有較高的反演精度和魯棒性,從而為ags的工程應用提供了必要的技術儲備。

先進復合材料格柵結構(ags)在航空、航天結構工程中有著廣泛的應用前景。本文作者針對低速沖擊載荷作用下先進復合材料格柵結構的載荷重構進行了研究。本文中研究了平板型復合材料格柵結構在橫向低速沖擊載荷作用下的前向響應近似模型。考慮ags板蒙皮/肋的彎剪耦合效應和截面偏心距e,對平板型復合材料格柵結構的等效剛度模型進行了改進。基于改進的等效剛度模型和非對稱mindlin板理論,建立了平板型格柵結構的前向響應近似模型及其狀態(tài)空間表達式,應用傅立葉展開求解了低速橫向沖擊載荷作用下的結構響應,并通過數(shù)值試驗驗證了該方法的實用性與可靠性。該部分研究將為平板型復合材料格柵結構的載荷重構ⅱ:逆向重構的研究提供前提條件和理論基礎。

密肋復合墻體是建筑結構新體系密肋壁板結構的主要受力構件.提出用復合材料理論對密肋復合墻體的彈性階段進行結構分析.以mori-tanaka的方法為基礎,建立了適用于密肋復合墻體的等效彈性板模型,并利用彈性力學對各向異性等效彈性板的抗側剛度進行了推導.該方法考慮了肋梁、肋柱以及砌塊的泊松比對彈性常數(shù)的影響及板的各向異性對整體彈性抗側剛度的影響.結合試驗資料對模型進行了驗證,結果表明所建立的復合材料等效彈性板模型及其抗側剛度推導是可行的.