三维机织圆管复合材料拉伸载荷下损伤过程的有限元模拟

在已有三维机织圆管复合材料几何模型的基础上采用三维实体有限元方法,建立细观单胞模型模拟三维机织圆管复合材料在轴向拉伸情况下损伤的起始、扩展、直至最终破坏的全过程.采用改进的树脂传递模塑(Resin transfer moldling,RTM)工艺制作了拉伸试件并进行了相应的试验.计算结果和试验结果吻合良好,均是纬向纱线横向首先产生破坏,并且应力-应变曲线都表现出显著的非线性特征,证明了研究方法的正确性.     

三维机织几何结构的数值表征

推荐一种利用一组数值型参数来定量表征三维机织几何结构的方法。在给定的几何约束和加工约束条件下，由4种纱线系统组成的三雏机织几何结构可用9个结构参数予以数值表征。根据贯穿或分层的角联接结和正交接结的几何特征，分别建立了与之对应的结构参数以及参数间的联系。进一步的研究表明，对于角联接结的三维机织几何结构，9个结构参数中仅有4个是独立的；而对于正交接结的三维机织几何结构，独立的结构参数为5个。一旦确定了独立的结构参数，三维机织几何结构就能被确定；反之，只要织物几何结构已知，则与之相对应的结构参数也就确定了。这里所推荐的数值表征方法可用于三维机织几何结构的设计，如根据三维机织复合材料的性能要求确定各取向纤维的分布等，从而为建立一种具有普适意义的三维机织结构几何模型提供了前提条件，同时也为三雏机织复合材料力学性能的设计提供了统一的设计平台。     

基于细观力学的混凝土有效弹性性能预测

假定混凝土材料为由骨料和砂浆组成的二相复合材料,建立了混凝土随机骨料模型;按骨料与砂浆基体的弹性性能比值生成骨料较硬和较软两类试件进行有限元数值试验,系统研究了混凝土有效弹性性能预测中多种细观力学方法的优劣及各细观力学方法的适用范围.将细观力学方法预测结果与有限元数值试验得到的结果进行比较,并对这些细观力学方法预测精度及其变化规律进行了讨论.数值试验结果表明,当骨料体积和骨料与砂浆弹性模量比较大时,细观力学方法预测的结果误差较大,需要研究新的方法预测混凝土的有效弹性性能.     

石英纤维复合材料的磨削加工性能研究

为了探究石英纤维复合材料在磨削过程中的损伤演变规律及磨削性能,本文将2.5维石英纤维机织复合材料作为研究对象,对材料各个组分分别建模构成细观几何模型.通过使用SolidWorks中二次开发中Rnd函数生成多个随机平面将磨粒切割成多面体,利用ABAQUS有限元分析软件首先对复合材料细观模型进行三维单磨粒磨削仿真,再分别从不同纤维方向进行基于三相微观结构的二维磨削仿真,分析了不同的纤维方向对加工表面质量的影响.通过进行磨削实验观察材料表面形貌,利用声发射技术对材料损伤实时监测并与仿真对比,结果表明复合材料断裂起始主要是由基体最大主应力和界面强度主导的,产生的裂纹沿着界面扩展,纤维束于不同磨削方向加工时由于受到磨粒剪切、弯曲、挤压及耕犁等不同的综合作用,断头呈不同的状态,纤维受剪切作用的加工表面质量比纤维受拉压发生断裂后的表面质量较好.     

混凝土初始损伤细观结构特性数值试验研究

细观结构特性是混凝土材料最重要的特性之一,细观结构参数的改变直接影响混凝土弹性模量、抗拉抗压强度等宏观力学性能变化.首先采用混凝土随机骨料模型进行混凝土细观数值试验,将混凝土看成由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并在水泥砂浆中引入不同孔径、孔隙率的孔隙,使用有限元分析软件MSC.Marc,通过数值试验研究了孔径、孔隙率对混凝土抗拉抗压强度和弹性模量的影响规律.试验结果表明:混凝土弹性模量在同一孔径下随着孔隙率的增长呈线性下降,在同一孔隙率下随着孔径增大呈对数下降;混凝土抗拉抗压强度随着孔隙率和孔径增大呈对数下降.其次,将数值试验结果与经验公式进行了对比,验证数值试验结果的正确性.最后,根据数值试验结果,建立了混凝土初始损伤与孔隙率和孔径之间的关系,描绘了细观尺寸下混凝土的初始损伤面,为建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,改善混凝土的力学性质打下了基础.     

平纹铺层及三维角联锁复合材料热氧老化后低速冲击及剩余弯曲性能

以平纹铺层和三维角联锁碳纤维/环氧树脂复合材料为研究对象,探究其在180℃高温下分别老化4、8、16和32 d后的低速冲击响应,并结合其冲击后弯曲性能,比较两种结构复合材料抗冲击性能随老化时间的变化规律。结果表明:随着老化时间的增加,冲击加载下平纹铺层和三维角联锁纤维环氧树脂两种复合材料试件的最大冲击载荷减小,能量吸收率增大,承载性能退化;相同老化条件下,三维角联锁结构试件的剩余模量和强度保留率均高于平纹铺层试件。两者微观形貌的分析表明:平纹铺层结构试件易在热氧老化过程中形成连续的层间裂纹,并在外加载荷作用下扩展造成层间失效;三维角联锁结构试件因厚度方向的接结纱作用,界面裂纹扩展受阻,从而缓解热氧老化引起的界面性能退化。     

基于有限元的超高速平面磨床整机动力学建模及模态分析

以150m／s超高速平面磨床为研究对象,利用PRO／E建立其各部件的三维几何模型,利用HYPERMESH进行有限元前处理建立各部件的三维有限元模型,在此基础上对机床结合部进行定义得到磨床整机动力学模型．并利用有限元计算软件ANSYS进行整机模态分析,初步识别了该类型磨床结构的薄弱环节,为超高速平面磨床结构的改进设计提供依据．     

天津图书馆铸钢节点力学性能

天津图书馆上部大跨度钢管桁架结构铸钢节点构造和受力情况较为复杂,为了评估铸钢节点的力学性能和安全性能,进行了铸钢节点的有限元分析和试验研究.采用ANSYS建立了考虑几何非线性和材料非线性的三维数值模型,对铸钢节点的应力和变形进行有限元分析,完成了两个足尺试件的检验性试验和一个缩尺模型的破坏性试验.有限元分析和试验结果表明,铸钢节点倒角处易产生较大的应力集中,极限承载力为设计荷载的3.6倍,铸钢节点具有较大的安全储备,能够满足工程设计要求.     

三维复合材料微结构的力学响应分析

复合材料的力学响应数值计算对于多元多向异质体材料微结构的"性能导向型"设计、材料微结构失效的评估与预测具有重要的意义.利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出三维复合材料微结构的代表性体积单元,通过C语言、Python脚本混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,使之用于复合材料微结构几何模型的建立、材料属性与晶粒取向的赋值、边界条件的定义以及有限元网格的划分,从而有效地实现三维复合材料微结构的细观应力响应计算.     

ANSYS在复合材料结构仿真与设计中的应用

应用ANSYS软件对螺栓连接复合材料结构进行三维有限元仿真以及优化设计,计算结果表明,通过改变复合材料的铺层顺序以及结构几何参数,可以达到对结构减重的目的;本文还总结了ANSYS的相关单元、功能以及一些分析经验.     

基于渐变网格剖分方法的混凝土细观数值模拟

在细观层次上,把混凝土看作是由水泥砂浆、骨料及二者之间的界面组成的复合材料,通过渐变网格剖分的方法先后对随机投放的骨料、界面和水泥砂浆进行网格剖分,删除多余节点,重新排列节点顺序,建成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型．用细观有限元模型分别进行混凝土的单轴拉伸和不同围压下的假三轴数值试验,分析不同加载形式对混凝土试件破坏形式以及承载能力的影响．     

轿车白车身静刚度分析

文章在Unigraphics软件中建立了白车身的几何三维模型,用自行编制的接口程序生成命令流文件,将模型导入到ANSYS环境中,建立白车身有限元模型,探讨了大型复杂结构的有限元建模效率及其相关问题;用有限元理论分析了静态工况下承载式轿车白车身的刚度特性,通过对其刚度的分析,研究了车身结构不同部位的受力特性;进行了轿车白车身刚度试验,验证了理论建模分析的合理性和可靠性.     

混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟

在细观层次上,把混凝土看作是由水泥砂浆、骨料及二者之间的界面组成的复合材料,应用渐变网格剖分方法对随机投放的骨料、界面和水泥砂浆进行网格剖分,删除多余节点,重新排列节点顺序,生成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型.利用该模型分别进行了混凝土的单轴拉伸、压缩、劈拉和梁弯曲等数值试验,分析了不同界面参数、不同砂浆损伤参数、不同加载形式对混凝土试件的变形特点、破坏形式以及承载能力的影响,探讨了混凝土宏观力学性能(如应变软化和剪胀等性质)的细观机制.     

激光作用下复合材料损伤的数值模拟

针对激光对纤维增强复合材料的破坏问题,在考虑复合材料细观结构的情况下,运用有限元软件ANSYS对材料温度场、热应力以及烧蚀损伤的演化进行了数值模拟.详细研究了激光参数、材料参数(如功率密度、材料热导率等)对复合材料损伤和烧蚀过程的影响.特别给出了温度场、热应力场和烧蚀场随时间的变化.研究表明考虑细观结构的模型比均匀化模型能更好地模拟复合材料的破坏.     

复合材料螺栓连接载荷分配的数值模拟

航空结构中复合材料多钉螺栓连接中存在载荷分配不均匀现象.为衡量载荷的不均匀程度,定义了载荷不均匀度的概念.基于ABAQUS 6.10采用三维有限元数值模拟技术建立了复合材料单列4排单搭接三维有限元模型,有限元模拟计算结果与试验结果一致.基于载荷不均匀度,使用三维有限元模型分析了几何参数、板间摩擦和预紧力对载荷分配的影响,结果表明载荷不均匀度有助于定量化研究载荷分配问题和找到均匀化策略.     

三维正交机织复合材料翼子板多尺度可靠性优化设计

三维正交机织复合材料具有优异的力学性能和抗分层能力,在汽车轻量化应用方面前景广阔.以三维正交机织复合材料汽车翼子板为研究对象,基于多尺度仿真预测方法,建立复合材料弹性性能解析预测模型和翼子板宏观有限元模型.同时针对材料和结构设计变量的不确定性,结合蒙特卡洛可靠性分析方法、Kriging代理模型和粒子群优化算法,实现复合材料翼子板多尺度可靠性优化设计.结果表明:优化后的翼子板在满足结构刚度和可靠性要求的同时,达到了21.93%的轻量化效果.     

复合材料曲梁力学性能研究

设计一种用于航天发射台高刚度组合件中的复合材料曲梁结构,并对其力学特性进行试验及数值计算研究.利用微机控制电子试验机对其进行静力加载试验,得到曲梁的载荷-位移特性曲线,并计算得到等效弹性模量.基于ABAQUS有限元软件,建立了曲梁的有限元模型,进行不同位移载荷下的数值模拟计算,利用试验数据对数值计算结果进行验证,计算结果与实测结果吻合良好,误差均在10%以下.在此基础上利用有限元模型计算不同载荷下的曲梁纵向和横向位移,得出曲梁的纵向位移小横向位移大,横纵位移比大于10,并研究曲梁厚度、间隙宽度以及中部直梁长度对曲梁力学性能的影响,得出不同几何参数变化对等效弹性模量的影响规律.本研究对曲梁应用于减隔振装置提供一定参考.     

经编间隔织物增强聚氨酯基复合材料的压缩性能

将经编间隔织物与软质聚氨酯泡沫复合,制备了5种经编间隔织物增强聚氨酯基复合材料试样.对复合材料进行了平板压缩试验,探讨间隔丝针背横移数、间隔丝直径和织物厚度对复合材料压缩和能量吸收性能的影响.利用有限元分析方法和ANSYS软件建立了复合材料的单胞有限元模型,对其压缩性能进行了模拟,得到复合材料的应力云图和应力-压缩率曲线.有限元模拟结果与试验结果显示出较好的吻合度.     

基于渐变网格剖分方法的再生混凝土细观数值试验

细观上,把混凝土看成是由骨料、砂浆以及它们之间的界面等组成的多相复合材料,对于光滑的球形骨料,预先进行镶边处理,并在此基础上首先对封闭域形成表面单元,然后采用拓扑映射的渐变网格剖分方法往里拓扑成四面体单元网格,按同样方法依次生成界面单元网格和砂浆单元网格,删除表面单元和多余节点后形成混凝土试件的三维细观有限元网格模型。采用该细观有限元模型进行再生混凝土的单轴压缩数值破坏试验,结果表明,该网格模型在单机环境下很快的就能完成数值试验,与以往的自由网格剖分法和映射网格剖分法生成的细观有限元模型相比不仅在计算规模上大大缩小了,而且模拟的破坏形态与实际非常吻合,精度也很高。     

纳米碳管增强陶瓷基复合材料热残余应力分析

针对纳米碳管与陶瓷材料热膨胀系数的差异导致的热失配问题,采用复合材料细观力学方法,利用有限元分析软件ANSYS建立了不同长径比的纳米碳管增强陶瓷基复合材料模型,模拟降温冷却过程中纳米碳管的性质对纳米碳管增强陶瓷基复合材料热残余应力变化特征的影响;利用轴对称体弹性力学理论导出纳米碳管贯穿陶瓷基体时纳米碳管增强复合材料的热残余应力解析式,所得结果与数值模拟结果一致,证明数值模拟方法的可靠性.研究表明:纳米碳管的弹性模量、热膨胀系数、体积分数、长径比和温度差等因素的变化对复合材料热残余应力有不同程度的影响.