采用數(shù)值分析方法研究了沖擊后含損傷的復(fù)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(nèi)含分層損傷復(fù)合材料格柵加筋板后屈曲分析的有限元方法;分析中同時(shí)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(yīng),為含損傷復(fù)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(jié)果表明,蒙皮分層面積較大時(shí),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(qiáng)的繼續(xù)承載能力,而在后屈曲分析中,應(yīng)考慮損傷累積對格柵加筋結(jié)構(gòu)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(yīng)。

通過建立復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)單元的基本力學(xué)假設(shè)和分析模型,推導(dǎo)了一種新的等效剛度計(jì)算方法,用于分析復(fù)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(yīng),并具有通用性。結(jié)合rayleigh-ritz能量近似法,推導(dǎo)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(jìn)行了比較,結(jié)果吻合得很好。

先進(jìn)復(fù)合材料格柵加筋結(jié)構(gòu)有較高的結(jié)構(gòu)效率和較好的設(shè)計(jì)性能,在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文采用等效平鋪剛度模型對格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)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(jìn)行定量,用遺傳算法對格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可行穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)。將穩(wěn)健性優(yōu)化的結(jié)果與傳統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,穩(wěn)健性優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)質(zhì)量要高于傳統(tǒng)方法,但結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單及測量精度高和實(shí)時(shí)自動(dòng)處理等優(yōu)點(diǎn),能實(shí)時(shí)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(qiáng)的復(fù)合材料層合板上,采用相移法實(shí)時(shí)監(jiān)測層合板在壓縮過程中的形貌變化過程.測量結(jié)果顯示復(fù)合材料層合板在各個(gè)正交增強(qiáng)網(wǎng)格內(nèi)出現(xiàn)局部屈曲波包,在端部附近網(wǎng)格內(nèi)表現(xiàn)為波峰,而在中間附近網(wǎng)格內(nèi)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(chǔ)上,網(wǎng)格內(nèi)的局部屈曲撓度隨載荷而增加,實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)有利于探討其破壞機(jī)理及失效模式.

介紹了一種"工"字型加筋板試驗(yàn)件及其玻纖復(fù)合材料加載板的研制工藝過程,采用手糊玻纖復(fù)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(fù)合材料加載板與加筋板長桁達(dá)到等高且嵌入式無縫隙填充,消除試驗(yàn)夾具的誤差,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

對在壓縮載荷下先進(jìn)復(fù)合材料等三角形格柵加筋板結(jié)構(gòu)(ags)后屈曲階段的分層起裂和擴(kuò)展過程進(jìn)行了研究。基于一階剪切變形理論和von-karman幾何非線性關(guān)系,提出了ags結(jié)構(gòu)后屈曲有限元分析模型;基于總能量釋放率準(zhǔn)則,并利用虛裂紋閉合法(vcct)及自適應(yīng)網(wǎng)格的生成和移動(dòng)技術(shù)分析了分層損傷的擴(kuò)展過程,在分析過程中考慮了分層前緣的接觸效應(yīng)。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(jié)構(gòu)的分層起裂和擴(kuò)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(jié)構(gòu)的比較,說明等三角形格柵加筋板結(jié)構(gòu)具有較高的抗分層能力。本文方法和所得結(jié)論對ags結(jié)構(gòu)的承載能力預(yù)測和設(shè)計(jì)將具有參考價(jià)值。

在新型、高效的拉擠互鎖復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)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(yīng)力集中會(huì)影響結(jié)構(gòu)的破壞和疲勞,是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要因素。建立了加帽的格柵肋應(yīng)力分析模型,應(yīng)用復(fù)變函數(shù)孔口問題解的結(jié)果,得到了格柵肋開槽附近的應(yīng)力解。分析了格柵肋開槽處的應(yīng)力集中,討論了開槽尺寸,材料常數(shù)等因素對應(yīng)力集中的影響。

本文討論了復(fù)合材料不規(guī)則截面梁等效剛度計(jì)算在工程軟件中的實(shí)現(xiàn)策略。以msc.patran為平臺,通過其自動(dòng)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(dòng)提交分析和讀取結(jié)果等強(qiáng)大的前后處理功能,使用pcl語言開發(fā)了復(fù)合材料不規(guī)則截面梁等效剛度計(jì)算軟件,提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算人員的工作效率。

針對復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)的布局和鋪層優(yōu)化問題,發(fā)展了一種二級優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。第一級采用基于近似模型技術(shù)的布局優(yōu)化方法,以筋條形式、個(gè)數(shù)、截面形狀和鋪層厚度作為設(shè)計(jì)變量,以結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕為目標(biāo)函數(shù),實(shí)現(xiàn)加筋板結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(biāo),實(shí)現(xiàn)了復(fù)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(chǔ)上,通過協(xié)調(diào)穩(wěn)定性約束,實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化。算例表明:采用二級優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,可以很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料加筋板的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(jié)構(gòu)復(fù)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(dá)式,提出了一種快速計(jì)算方法,用matlab實(shí)現(xiàn)了屈曲臨界載荷的數(shù)值解。改進(jìn)方法與參考文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)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(guān)系,為加筋板的實(shí)際工程開發(fā)和應(yīng)用提供了便捷方法。

根據(jù)復(fù)合材料的力學(xué)特性,結(jié)合有限元理論和工程經(jīng)驗(yàn),提出了一種計(jì)算復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)后屈曲承載能力的工程簡化理論與方法,并以復(fù)合材料j型加筋板計(jì)算模型為例,從工程角度說明了計(jì)算后屈曲承載能力的思路與公式.利用該方法通過算例計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)該種復(fù)合材料加筋板穩(wěn)定性計(jì)算方法可以解決后屈曲的幾何非線性帶來的計(jì)算難度,能保持較高的精度,并可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中.

復(fù)合材料低成本制造技術(shù)是先進(jìn)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前,以混合工藝法、模具膨脹工藝和拉擠-互鎖及其增強(qiáng)改進(jìn)工藝為代表的工藝方法已經(jīng)取得較大的成功和應(yīng)用,我們應(yīng)該繼續(xù)研究可靠性高、可重復(fù)性強(qiáng)和自動(dòng)化的成型工藝方法,引進(jìn)和發(fā)展大型ags結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。

采用商業(yè)有限元軟件msc.nastran,運(yùn)用簡單的shell單元對復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)蒙皮和加強(qiáng)筋進(jìn)行模擬,預(yù)測復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)名義縱向拉伸強(qiáng)度/模量,彎曲強(qiáng)度/模量。計(jì)算結(jié)果表明,隨著復(fù)合材料格柵中肋高度的增加,名義彎曲強(qiáng)度/模量和拉伸強(qiáng)度/模量均有下降趨勢。

采用基于復(fù)合材料一階剪切效應(yīng)理論的有限元法分別研究了含分層損傷的復(fù)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(zhì)與溫度相關(guān)特性,同時(shí)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(jié)構(gòu)的典型算例分析和結(jié)果的比較表明,復(fù)合材料格柵(ags)板具有很強(qiáng)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(shí)還會(huì)導(dǎo)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(jié)論對ags結(jié)構(gòu)的熱承載能力預(yù)測和損傷容限設(shè)計(jì)將具有參考價(jià)值。

在拉擠-互鎖平板型復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的制作演示基礎(chǔ)上,提出了幾種增強(qiáng)改進(jìn)的方法,并實(shí)現(xiàn)了一種平板型復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的制造。借助有限元模型,考慮到結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和制作工藝,對結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化幾何參數(shù)進(jìn)行了研究,建立了加帽增強(qiáng)平板型格柵結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的初步設(shè)計(jì)方法。

復(fù)合材料在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下的損傷形式是十分復(fù)雜的,精確的模型能更深刻地揭示復(fù)合材料的損傷機(jī)理。以hahn和tsai提出的單向損傷模型為基礎(chǔ)建立了剛度遞降關(guān)系,運(yùn)用上述剛度遞降關(guān)系給出了一個(gè)疲勞壽命算例,計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合,相對誤差分別為7.72%和8.79%。結(jié)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(gè)階段;通過保留泰勒級數(shù)展開二次項(xiàng),能準(zhǔn)確模擬出材料的"突然死亡"行為。

以復(fù)合材料層合板各單層連續(xù)變化的鋪層角度為設(shè)計(jì)變量,在有限元軟件中對層合板結(jié)構(gòu)的基頻進(jìn)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(jié)構(gòu)的基頻分別提高了4.9%和16.2%,并對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的靜力失效強(qiáng)度進(jìn)行了對比分析。隨后將這種優(yōu)化方法應(yīng)用到某無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼格柵結(jié)構(gòu)中,針對格柵結(jié)構(gòu)蒙皮和肋板共計(jì)24個(gè)纖維鋪層角度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),使結(jié)構(gòu)基頻提高了10.6%,同時(shí)結(jié)構(gòu)的承載能力也有了一定程度的提高。

分別應(yīng)用半經(jīng)驗(yàn)工程算法和有限元軟件msc.patran/nastran對復(fù)合材料加筋板進(jìn)行剪切穩(wěn)定性計(jì)算,得到結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷;開展復(fù)合材料加筋板剪切穩(wěn)定性試驗(yàn),得到結(jié)構(gòu)的屈曲形式、失穩(wěn)載荷、破壞過程及破壞載荷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)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(jié)構(gòu)具有一定的后屈曲承載能力。研究表明,工程算法、有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能進(jìn)行分析,從而為該型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及工程應(yīng)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(fù)合材料加筋壁板有限元建模方法,應(yīng)用msc.patran/nastran的參數(shù)化建模與遺傳算法相結(jié)合的復(fù)合材料加筋壁板的兩步優(yōu)化方法,對復(fù)合材料t型加筋壁板進(jìn)行了從2000n/mm到6000n/mm壓縮載荷下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。提出的基于參數(shù)化模型和遺傳算法的復(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)用到復(fù)合材料格柵板的載荷重構(gòu)中,基于文獻(xiàn)[11]所建立的前向響應(yīng)模型,通過構(gòu)造誤差性能指標(biāo)j表征前向響應(yīng)模型與實(shí)測響應(yīng)的差,將載荷的反演轉(zhuǎn)換為所定義誤差性能指標(biāo)極值條件的獲取,應(yīng)用平滑算法對指標(biāo)j的極值進(jìn)行了求解;并借助分布式響應(yīng)的功率梯度云和指標(biāo)j極值點(diǎn)的搜索給出了一套由粗到精的載荷定位方法,實(shí)現(xiàn)了ags板的載荷時(shí)程和載荷位置的同時(shí)重構(gòu)。算例與實(shí)驗(yàn)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(yīng)用提供了必要的技術(shù)儲備。

先進(jìn)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)(ags)在航空、航天結(jié)構(gòu)工程中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文作者針對低速?zèng)_擊載荷作用下先進(jìn)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的載荷重構(gòu)進(jìn)行了研究。本文中研究了平板型復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)在橫向低速?zèng)_擊載荷作用下的前向響應(yīng)近似模型?？紤]ags板蒙皮/肋的彎剪耦合效應(yīng)和截面偏心距e,對平板型復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的等效剛度模型進(jìn)行了改進(jìn)?；诟倪M(jìn)的等效剛度模型和非對稱mindlin板理論,建立了平板型格柵結(jié)構(gòu)的前向響應(yīng)近似模型及其狀態(tài)空間表達(dá)式,應(yīng)用傅立葉展開求解了低速橫向沖擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),并通過數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性與可靠性。該部分研究將為平板型復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的載荷重構(gòu)ⅱ:逆向重構(gòu)的研究提供前提條件和理論基礎(chǔ)。

密肋復(fù)合墻體是建筑結(jié)構(gòu)新體系密肋壁板結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件.提出用復(fù)合材料理論對密肋復(fù)合墻體的彈性階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析.以mori-tanaka的方法為基礎(chǔ),建立了適用于密肋復(fù)合墻體的等效彈性板模型,并利用彈性力學(xué)對各向異性等效彈性板的抗側(cè)剛度進(jìn)行了推導(dǎo).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(cè)剛度的影響.結(jié)合試驗(yàn)資料對模型進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明所建立的復(fù)合材料等效彈性板模型及其抗側(cè)剛度推導(dǎo)是可行的.