碳纤维复合材料综框的铺层设计与动态分析

为了提高织机车速,降低织造过程中的振动和噪声,将复合材料层合板应用于综框结构设计,给出了单层板的本构关系与力学计算方法。在ANSYS平台上设计了三种铺层方案,采用shell181单元模拟碳纤维复合材料的分层结构,计算出了不同分层方案的低阶固有频率和振型,并与铝合金综框作了比较。分析结果表明,采用6层非对称层合板结构(即铺层方案二)时,综框具有最佳动力学特性,不仅使综框基频提高了19.48Hz,而且使其自重减轻了约26.82%,在实现轻量化设计的同时有效增强了综框的抗振性。     

基于Hypersizer的复合材料结构铺层设计和铺层过渡设计

针对复合材料各向异性严重导致设计困难的问题,采用复合材料结构分析与设计软件Hypersizer建立模型,进行铺层设计和铺层过渡设计。首先,将仿真模型划分成不同的设计区域,根据不同设计区域的受载情况进行分析计算,设计铺层厚度、铺层比例和铺层顺序。接着在铺层过渡区设计铺层递减方式,并按照铺层设计原则重新调整原先的铺层。最终得出满足符合工程实际要求的最佳铺层和铺层过渡。     

含对称穿透分层损伤复合材料层合板准三维分析

采用以准三维模型为基础的非线性有限元,研究了具有对称穿透分层损伤的复合材料层合板在均匀面内压缩载荷作用下的后屈曲变形,并结合虚裂纹闭合技术（ＶＣＣＴ）,计算了分层前缘的层间能量释放率各型分量。数值分析表明,含对称中心分层损伤斜交铺层复合材料的层合板在压缩载荷作用下,其分层扩展能量释放率与分层子板压缩方向上的刚度有关。     

固体火箭发动机复合材料壳体破坏分析及优化

利用有限元计算软件ANSYS对轴向压力和弯矩联合作用下某型号固体火箭发动机复合材料壳体组合结构进行数值模拟。数值计算与实验结果对比分析表明:由于原结构的复合材料铺层设计不够合理,造成部分复合材料铺层局部应力过大,而导致结构未达到设计载荷即发生局部失效破坏。本文在结合实验分析和实物模型数值模拟计算的基础上,提出两种措施对原结构进行优化改进:增加局部补强纵向铺层数目以提高局部承载能力,从而提高整体承载能力;改变个别铺层材料以增强该层材料本身承载能力,最终提高整体承载能力。数值计算结果显示,两种改进结构均能提高整体结构承载能力15%～20%,实物实验表明改进结构可达到原结构设计承载能力的115%以上。     

冲击载荷下Ti/CFRP层合板结构的数值模拟分析

为了研究钛合金/碳纤维增强复合材料(Ti/CFRP)层合板结构的抗冲击性能,采用基于三维Hashin准则的VUMAT材料子程序模拟复合材料层合板的损伤失效,采用内聚力单元模拟层合板与钛合金之间的胶层,采用Johnson-Cook本构模型模拟钛合金的塑性变形及失效,建立了Ti/CFRP层合板结构的冲击损伤有限元模型。分别讨论了冲击动能、钛板的厚度及复合材料的铺层角度等因素对层合板结构的抗冲击性能的影响,结果显示增加钛板的厚度可以有效提高层合板结构的抗冲击性能,Ti/CFRP层合板结构承受冲击载荷发生损伤失效时,失效模式以基体失效与拉伸分层失效为主,合理选择铺层角度可以改善复合材料层合板的抗冲击性能。分析结果可为Ti/CFRP层合板结构的设计及工程应用提供参考。     

复合材料层合板铺层顺序优化遗传算法

采用遗传算法进行复合材料层合板的铺层顺序优化设计，即采用整数编码方式，并对解码进行特殊处理以满足平衡铺层要求；通过父代与子代竞争延长了父代个体寿命，使优良基因有更多机会遗传给下一代；遍历所有分析过的个体信息以减少计算量，算例表明，改进的遗传算法是有效的。     

复合材料层合板机械连接失效分析及铺层优化

介绍了一种复合材料层合板单钉连接的有限元简化模型，并基于这种模型对5种不同铺层比例的层合板进行计算分析。对计算所得应力结果采用Tsai-Wu判据进行失效判断，并绘出强度比曲线进行分析，得出其中最优的铺层比例方案。通过与实验结论的比较，验证了这种方法的有效性。根据强度比曲线分布，分析铺层比例对层合板机械连接强度的影响规律，并由此得到提高层合板机械连接强度的方法。最后通过一个例子说明了这种铺层优化方法的有效性。     

复合材料加筋圆柱壳分支屈曲研究

考虑铺层的耦合效应和筋条的扭转效应，推导了复合材料加筋层合柱壳的稳定性计算公式，研究了加筋柱壳各项设计参数对屈曲性能的影响．由计算结果总结的规律可以指导复合材料铺层设计和选择结构形式，并为定量计算提供理论依据     

复合材料加筋圆柱壳分层屈曲研究

考虑铺层的耦合效应和筋条的扭转效应，推导了复合材料加筋层合柱壳的稳定性计算公式，研究了加筋柱壳各项设计参数对屈曲性能的影响。由计算结果总结的规律可以指导复合材料铺层设计和选择结构形式，并为定量计算提供理论依据。     

平纹编织复合材料层板单面挖补修理的附加铺层分析研究及试验验证

针对平纹编织复合材料在航空中的不断应用与该类型层板维修研究的缺失性,根据不同附加铺层的平纹编织复合材料层板维修工况,进行了三维有限元模型分析计算,制订了综合母板、胶层、补片的多重失效准则,并进行了相应的试验验证,得到结论如下:附加层的铺设对于提高修补板强度有积极的效果,试验中发现增加附加铺层数会由于粘接区域的增加,而导致更多的维修缺陷影响恢复效果,建议修理中附加铺层数不宜过多;铺层条件下的平纹编织碳纤维/环氧材料层板结构最佳附加铺层为一层,结构最高修复强度恢复率达到了65.57%,该结论也可为其他类型的平纹编织复合材料层板维修提供参考。分析过程中采用的三维有限元修补模型得到的强度值和破坏区域与试验数据基本吻合,说明计算模型与失效准则能够满足维修设计的需求,为实际修理提供较为准确的参考指标。     

铺层结构对复合材料螺旋桨水动力性能的影响

基于面元法及有限元方法,采用分区迭代方式开展复合材料螺旋桨流固耦合分析,重点讨论了材料纤维角度和结构铺层方式的影响.针对桨叶剖面变厚度特征与单层材料有限厚度之间的矛盾,提出了更具实用意义的沿叶面往叶背方向逐层退化的铺设方式,并发现该铺设方式复合材料螺旋桨流固耦合性能主要受靠近叶面的铺层结构控制.后续铺层结构优化设计中可仅考虑近叶面若干铺层以节省计算工作量.     

纤维增强复合材料螺旋弹簧刚度预测模型

建立了一种通用形式的复合材料螺旋弹簧刚度预测模型,提出一种无需限定网格和节点的复合材料螺旋弹簧有限元建模方法.基于复合材料层合板理论,推导了复合材料层合板等效剪切模量,并据此建立了纤维增强复合材料螺旋弹簧刚度预测模型,该模型能够适用于任意铺层角度的纤维分布.为了解决在有限元建模过程中复合材料螺旋弹簧单元方向设置的难题,提出建立复合材料弹簧有限元模型的新方法,可直接对铺层进行设计,避免了划分网格时单元坐标系与簧丝螺旋线方向难以协调的问题.刚度预测模型计算结果与文献实验结果的对比表明,所建立的预测模型具有更好的计算精度.针对复合材料类型和纤维铺层角度的不同组合形式,利用所建立的有限元分析模型和刚度预测模型进行了对比分析,结果表明两者之间的计算误差较小,有效性较好.      

复合材料修复含环向裂纹管道试验研究

为了确定含环向裂纹管道的复合材料修复厚度,基于等效刚度补偿原理,提出了等效刚度铺层厚度计算方法,设计了全尺寸未补强管道和补强管道的对比试验,观察到裂纹唇口轴向应变与裂纹唇口张开位移(CMOD)的线性关系,验证了依据等效刚度铺层厚度计算方法的修复效果.试验结果表明,复合材料能够连接环向裂纹两边的管体,形成管体—复合材料缠绕层一体的新型复合结构,改善裂纹的边界约束条件,进而改变管道裂纹处应力状态,恢复含裂纹管道的承载能力.对比管道补强前后管道裂纹处轴向和环向应变曲线可知,依据等效刚度计算方法进行铺层厚度设计,能提高裂纹管道承受内压和弯矩的安全裕度.     

铺层拼接层合板抗拉强度研究

针对复合材料结构设计中会遇到含铺层拼接的层合板强度预测问题, 设计了含铺层交错拼接区的碳/双马复合材料层合板试件,采用简单拉伸试验方法测定了该材料的力学性能,得到了不同拼接长度下层合板的抗拉强度.试验结果表明,铺层拼接状态差异将会对层合板的承载能力有显著影响.根据试验结果建立了铺层拼接层合板的抗拉强度随拼接长度变化的经验公式,可为复合材料层合板结构的铺层设计和强度分析提供理论依据.     

高超声速飞行器结构热气动弹性优化设计

基于高超声速飞行器X-43外形尺寸,构建含有隔热层的全机结构有限元模型。根据分层求解思路,考虑了气动热载荷作用下结构温度的稳态特性,忽略气动热对气动力和结构弹性力的弱耦合效应。使用三阶活塞理论对其进行频域内气动力计算,采用参考焓法求得模型表面的热流密度,进而计算出经过隔热层作用后,蒙皮表面的温度分布以及相应的热应力;在对结构的刚度矩阵进行修正后,采用p-k法迭代求解其临界颤振速度。以复合材料铺层角度和铺层顺序为设计变量,在全机结构、重量保持不变的情况下,对其进行以临界颤振速度为优化目标的气动弹性优化设计,使结构的颤振特性有了较大的改善。     

薄铺层复合材料薄壁管轴压屈曲行为研究

在薄壁结构的应用中,屈曲稳定性是影响其承载性能的关键因素,为研究减薄铺层厚度对复合材料薄壁结构局部屈曲行为的影响,本文采用不同厚度(0.125、0.055和0.020 mm)的预浸料制备复合材料薄壁管,实验测试了其在轴压下的局部屈曲行为.实验结果表明,随着铺层厚度减薄,实验采用的正交和均衡两种铺层方式的复合材料薄壁管局部屈曲载荷均随之提高,而屈曲失效模式没有发生改变.力学分析表明,铺层厚度减薄后,管壁弯曲刚度的改变和层间剪切应力分布对薄壁管局部屈曲载荷提高有重要影响.采用薄铺层制备复合材料薄壁结构件能够有效提高其局部屈曲能力.     

超声压紧对低能电子束分层固化复合材料质量的影响

针对低能电子束分层固化复合材料层间孔隙缺陷导致层间剪切强度较低的问题,设计了超声压紧装置。该装置通过压头将超声波作用于预浸带铺层上,配合低能电子束固化系统制作复合材料层合板,并研究了超声压紧参数对复合材料质量的影响。实验结果表明,超声振动在压紧过程中产生的机械效应和热效应可有效减少孔隙,增强纤维与树脂的界面结合性能,提高层间剪切强度,从而改善复合材料试件质量。其中,振幅对复合材料孔隙率及层间剪切强度影响最大,当超声振幅为7.5μm时,试件致密性明显改善,孔隙率降至1.80%,层间剪切强度提高11.7%;压紧力影响相对较小,当压紧力从100 N到220 N变化时,层间剪切强度只有3.64%的提高,孔隙率在2.62%以下。过大的振幅与压紧力都会引起压紧过程中预浸带温度升高,导致树脂固化度提高,渗透性变差,孔隙率增加,使复合材料质量降低。     

铺层角度对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度的影响

为了准确计算复合材料等效刚度,指导复合材料设计过程中铺层角度的选择。该文基于经典层合板理论,建立了考虑拉剪耦合效应的三维层合板等效刚度计算方法。基于该方法对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度随铺层角的变化趋势进行了分析,结果显示:随着铺层角θ_1的增加,铺层方式为(θ_1)_(25)/(θ_2)_(25)的层合板的面内轴向刚度E_x、横向刚度E_y的变化曲线包含变化率显著不同的两个阶段;法向刚度E_z呈正弦变化趋势且当正交铺层时有最大值;面内剪切刚度G_(xy)在θ_1=45°且θ_2=135°时有最大值;面外剪切刚度G_(xz)和G_(yz)变化曲线关于θ_2=90°对称。通过比较层合板与单向板等效刚度发现,选择合适的铺层角度组合能够有效提高结构的法向刚度和面内剪切刚度。     

绉组织省综设计在微型计算机上的实现

本文介绍了绉组织省综设计在 IBM PC/XT 微机上的实现。详细说明了它的设计原理和方法。提出用低维数组拼接原理产生更多提综方案,以满足10页综以上的数据要求。采用自动与交互设计相结合的方法设计纹板,以及交互穿综设计与组织图同时显示的方法,在微型计算机上方便地实现了6—16片偶数综框绉组织的省综设计。该软件经工厂使用,效果良好。     

复合材料螺旋桨纤维铺层的影响及预变形设计

为研究复合材料螺旋桨的预变形设计,采用面元法和有限元法相结合的迭代算法,选择两种运行工况和十种铺层方式,研究纤维铺层对螺旋桨水动力及变形特性的影响,并择其中两种铺层方式进行了预变形设计.结果表明:纤维铺层对螺旋桨的水动力性能和变形均有较大影响,仅改变材料特性难以提高螺旋桨的推进效率;不管采用何种铺层方式,变形后纵倾总是在减小,侧斜总是在增加;单向铺层的螺旋桨当铺层方向与叶梢侧斜角相近时,其抵抗变形的能力较强;组合铺层方式的螺旋桨,不同角度的铺层仍然发挥其各自的作用并影响整体变形特性,改变层间铺设顺序对几何参数变化的影响较小;经过预变形设计的复合桨,在设计工况能够实现与刚性桨等同的性能,而在非设计工况下性能优于刚性桨.