复合材料加筋板剪切屈曲特性研究

分别应用半经验工程算法和有限元软件MSC.Patran/Nastran对复合材料加筋板进行剪切稳定性计算,得到结构的失稳临界载荷;开展复合材料加筋板剪切稳定性试验,得到结构的屈曲形式、失稳载荷、破坏过程及破坏载荷。实验结果表明,复合材料加筋板的破坏形式主要表现为筋条的脱胶和蒙皮的破损,该型结构具有一定的后屈曲承载能力。研究表明,工程算法、有限元计算结果与试验所得局部屈曲载荷较吻合,说明工程算法和有限元模拟方法可以用来对该型结构的稳定性能进行分析,从而为该型结构的优化设计及工程应用提供分析参考。     

复合材料壁板后屈曲分析失效准则的适用性研究

为了筛选用于复合材料加筋壁板后屈曲分析的失效准则,设计了具有较长后屈曲历程的L型加筋条试验件,并对其进行压损破坏试验,同时建立了考虑渐进损伤的有限元模型,计算得到了载荷-应变曲线,屈曲载荷和破坏载荷。计算结果和试验数据吻合良好,预测的失效模式也与试验结果一致,验证了建模方法的有效性。并在有限元分析中分别采用了五种不同的失效准则进行计算,得到了各失效准则对应的破坏载荷和失效模式,表明通过L型加筋条试验和分析结合,可以对各个失效准则的有效性进行验证,避免失效准则选取的随意性,从而为复合材料加筋壁板后屈曲设计分析提供指导。     

薄壁箱型结构仿真与实验稳定性分析

文中以单节薄壁箱型结构为研究对象,针对不加筋和加筋2种结构形式,利用ANSYS特征值屈曲分析和实物试验对其进行稳定性研究,得到了加筋前后薄壁结构的极限失稳载荷和屈曲形态。仿真与试验结果都表明,加强筋的设置显著提高了薄壁箱型结构的极限失稳载荷,是一种非常有效的提高薄壁结构稳定性的方法。特征值屈曲分析得到的屈曲形态与试验比较一致,可方便快速地为加强筋的形状和位置优化提供理论依据。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩屈曲特性

分别应用工程算法和有限元软件ANSYS对碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩稳定性进行了分析,得到了加筋板的临界失稳屈曲载荷和屈曲模态;同时对复合材料加筋板进行了压缩稳定性试验,并与计算结果进行了对比验证。结果表明:碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板具有后屈曲承载能力,其压缩破坏形式主要为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂;工程算法结果、有限元计算结果与试验得到的临界屈曲载荷误差分别为13.8%和-15.5%,结果较吻合,证明了工程算法的正确性和有限元模拟方法的合理性。     

筋条形式和制造工艺对轴压载荷下钛合金加筋板力学行为模式的影响分析

加筋壁板是航空结构中常用结构形式,不同筋条形式和不同制造工艺会影响其力学行为及其失效模式.针对钛合金加筋板,采用有限元方法建立数值计算模型,研究了T型、L型和Z型3种不同截面形式筋条对加筋板的屈曲模态和破坏形式的影响机制,分析了焊接、点焊和铆接不同制造工艺对加筋板的屈曲载荷和后屈曲特性的影响.结果 表明:T型加筋板的屈...     

湿热环境对复合材料加筋板压缩性能的影响

使纤维增强树脂基复合材料加筋板在70℃、水浴条件下达到吸湿平衡,然后对普通加筋板和吸湿平衡后加筋板进行压缩试验,研究了湿热环境对复合材料屈曲形式、屈曲载荷、破坏载荷和承载能力的影响。结果表明:两种加筋板的破坏形式均主要表现为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂,吸湿后的加筋板仍存在后屈曲过程,但其屈曲载荷下降了8.4%,破坏载荷下降了19.2%。     

复合材料薄壁加筋结构局部稳定性分析的谱单元法

工程结构的有限元数值分析往往采用粗网格模型,这导致压、剪或其联合载荷作用下的薄壁加筋结构初始屈曲临界载荷计算误差过大,而采用四边简支板的工程校核方法强化了实际约束效应,进一步加大了误差。为此,采用p-收敛的升阶谱元法,计算复合材料四边简支及弹性支承层合板的屈曲特征值;同时提取粗网格单元的实际应力状态,对复合材料薄壁加筋结构局域初始屈曲临界载荷进行了分析计算。结果表明:谱单元方法可很好的收敛于四边简支板的理论解,计算效率较高;局域薄壁加筋结构的谱单元方法可高效收敛于整体薄壁加筋结构的局部稳定性解,且能计及加强筋对复合材料层合板的弹性支承作用,更准确的模拟了加筋板的实际约束效应。     

湿热环境下复合材料加筋壁板压缩屈曲与后屈曲行为的有限元模拟

制备了CCF300碳纤维/BA9916-II环氧树脂复合材料加筋壁板，研究了该加筋壁板在干态和湿热状态下的压缩行为；建立加筋壁板有限元模型，使用经验公式对湿热环境下的材料参数进行修正，通过模拟分析了不同状态加筋壁板的压缩屈曲与后屈曲行为，并进行了试验验证。结果表明：加筋壁板在干态与吸湿状态下均有较强的后屈曲承载能力；湿热环境会对加筋壁板稳定性与承载能力造成较大负面影响，随吸湿时间延长，其屈曲及破坏载荷均呈先快后慢的下降趋势；模拟得到干态加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷与试验结果的相对误差分别为3.1%和5.2%,吸湿饱和态下的相对误差分别为5.6%和6.9%,误差较小，证明了所采用模拟方法的准确性和所建立有限元模型的合理性。     

薄壁箱型升降塔的稳定性分析

利用计算机进行有限元法求解稳定性问题是现代稳定计算的发展趋势.文中利用ANSYS软件对升降塔的塔身进行了特征值屈曲分析,通过加筋前后载荷因子的对比,发现加筋可以显著提高薄壁构件的局部稳定性,加筋后结构满足给定载荷的稳定性要求.     

含穿透损伤复合材料加筋板轴压试验研究

分别选取复合材料加筋板结构中三处典型位置进行落锤冲击损伤试验,产生穿透损伤,对损伤试件进行轴向压缩试验,得到屈曲失稳载荷及破坏载荷,并将试验结果与完好试件的试验结果进行对比,分析穿透损伤对结构压缩承载能力的影响。结果表明,筋条区蒙皮的冲击穿透损伤会使得结构的压缩局部屈曲载荷和压缩强度有较为明显的下降,而筋条间蒙皮和筋条凸缘处的穿透损伤对结构的压缩结果影响较小。另外,试验表明,含筋条凸缘穿透损伤的结构在压缩破坏过程中会出现较为明显的损伤扩展。试验结果可以为该型结构的工程应用提供有价值的参考。     

铝合金搅拌摩擦焊接加筋板剪切稳定性能研究

对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接加筋壁板的剪切稳定性能进行试验研究,得到该结构的剪切失稳形式及屈曲载荷、承载能力及破坏形式。应用有限元法对该焊接加筋壁板结构进行简化建模,对该结构的稳定性和承载能力进行计算,将计算结果与试验结果进行比较。试验及有限元计算结果表明,结构的剪切失稳形式表现为筋条间平板的局部屈曲;屈曲后结构进入张力场受力状态,破坏形式主要表现为平板的塑性变形和边缘撕裂、筋条的弯扭变形以及焊接区的局部脱焊;出现脱焊现象的试验件其承载能力较未出现脱焊现象的试验件下降7.7%;线性和非线性屈曲计算所得屈曲载荷分别比试验平均值高出18.4%和26.2%,而非线性计算所得承载能力比试验平均值高出5.7%,焊接引起的初始缺陷对结构承载能力的影响小于对屈曲载荷的影响;有限元分析得到的结构屈曲形式和失效形式与试验现象吻合,验证了有限元模型的合理性,但其仍需要进一步改进以考虑初始缺陷来减小计算误差。     

Numerical analysis of static performance comparison of friction stir welded versus riveted 2024-T3 aluminum alloy stiffened panels

Most researches on the static performance of stiffened panel joined by friction stir welding（FSW） mainly focus on the compression stability rather than shear stability. To evaluate the potential of FSW as a replacement for traditional rivet fastening for stiffened panel assembly in aviation application, finite element method（FEM） is applied to compare compression and shear stability performances of FSW stiffened panels with stability performances of riveted stiffened panels. FEMs of 2024-T3 aluminum alloy FSW and riveted stiffened panels are developed and nonlinear static analysis method is applied to obtain buckling pattern, buckling load and load carrying capability of each panel model. The accuracy of each FEM of FSW stiffened panel is evaluated by stability experiment of FSW stiffened panel specimens with identical geometry and boundary condition and the accuracy of each FEM of riveted stiffened panel is evaluated by semi-empirical calculation formulas. It is found that FEMs without considering weld-induced initial imperfections notably overestimate the static strengths of FSW stiffened panels. FEM results show that, buckling patterns of both FSW and riveted compression stiffened panels represent local buckling of plate between stiffeners. The initial buckling waves of FSW stiffened panel emerge uniformly in each plate between stiffeners while those of riveted panel mainly emerge in the mid-plate. Buckling patterns of both FSW and riveted shear stiffened panels represent local buckling of plate close to the loading corner. FEM results indicate that, shear buckling of FSW stiffened panel is less sensitive to the initial imperfections than compression buckling. Load carrying capability of FSW stiffened panel is less sensitive to the initial imperfections than initial buckling. It can be concluded that buckling loads of FSW panels are a bit lower than those of riveted panels whereas carrying capabilities of FSW panels are almost equivalent to those of riveted panels with identical geometries. Finite elem     

含离散源损伤Z向增强复合材料加筋板压缩特性研究

以含穿透中央筋条的切口模拟离散源损伤,对无增强、Z-pin增强、改进锁式缝合增强、Tufting缝合增强复合材料加筋板进行轴向压缩试验,研究含离散源损伤Z向增强加筋板的损伤扩展模式与破坏特征。结果表明,壁板和筋条间的Z向增强有效控制了壁板与筋条的脱粘,提高了加筋板的屈曲载荷。切口前端的分层只引起局部的屈曲,沿切口方向未切断筋条的断裂和壁板边缘的突然压溃导致加筋板的最终破坏。三维有限元渐进损伤分析结果显示,选用Hashin判据作为失效判据,可以很好地模拟含离散源损伤复合材料加筋板的轴向压缩渐进损伤过程。采用线约束模拟壁板与筋条翼缘之间的Z向增强是合理的,线约束的引入在损伤扩展至筋条下方壁板区域后有效控制了损伤的扩展。     

Influence of stiffener location on the stability of stiffened plates under compression and in-plane bending

The elastic behaviour of stiffened plates under non-uniform edge compression is investigated. As a first stage, an energy formulation, in which the structure is modelled as assembled plate and beam elements, is presented. A Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm is then used to evaluate the buckling load and the associated buckling mode for given plate/stiffener geometric properties. Results are presented showing the influence of the stiffener location on the stability of the structure under combined compression and bending. Then, a strategy is presented for optimum location of the stiffener. The proposed methodology can be used to develop an improved design procedure for efficient design of stiffened plates under this type of loading.     

蜂窝夹芯胞元壳的屈曲特性研究

以正六边形蜂窝夹芯的胞元壳为例,将Euler细长杆的稳定理论与板壳力学中的稳定理论相结合,提出了薄壁胞元壳轴向受压临界载荷的计算公式和屈曲模态的三重级数表达式。根据胞元壳不同的失效形式,将其分成了短胞元壳、长胞元壳和特长胞元壳,确定了不同类型胞元壳的临界载荷控制方程和其对应的一阶屈曲模态,在此基础上提出了胞元壳临界载荷总图。用3D有限元数值模拟技术,通过对铝质正六边形蜂窝胞元壳进行模拟,将其结果与公式的计算结果相比,两者非常接近,证实了理论分析的有效性。其结论对蜂窝夹层结构和薄壁棱柱壳的理论研究有重要的指导意义。     

搅拌摩擦焊接加筋板轴压稳定性研究

运用半经验公式对采用搅拌摩擦焊接技术的加筋板轴向压缩局部屈曲临界应力进行工程计算,并应用有限元软件ABAQUS对该型结构的稳定性进行数值计算,得到结构的失稳屈曲临界载荷;参考工程计算和有限元计算值,对加筋板进行轴向压缩试验,对其屈曲形式、失稳及破坏载荷进行试验研究,并考虑侧边支持条件对结果的影响。试验分析表明,非承载边的约束条件对试件的屈曲载荷有一定的影响,而对试件的承载能力影响较小;搅拌摩擦焊加筋板具有一定的后屈曲承载能力;有限元计算结果与试验结果较吻合,说明模拟方法可以用来对该型结构的稳定性能进行分析,从而为该型结构的优化设计及工程应用提供分析参考。     

Buckling analysis of circular and annular composite plates reinforced with carbon nanotubes using FEM

The critical compressive load in the buckling of circular and annular composite plates reinforced with carbon nanotubes (CNTs) is calculated using finite element method. The developed model is based on the third-order shear deformation theory for moderately thick laminated plates. Effects of CNTs orientation angles and thickness-to-inner radius ratio on the buckling of composite plates are discussed. The results are compared with those obtained by analytical method based on classical plate theory. The finite element method shows lower values for critical buckling load because of the elimination of shear strain in the classical plate theory.     

飞机壁板结构稳定性分析

应用非线性有限元计算技术研究了加筋壁板结构试验件在受压状态下的非线性变形及稳定性特性,所得到的结果与试验吻合。为真实模拟机翼中的加筋壁板结构在空气动力作用下的稳定性问题,又针对典型机翼模型进行了更为细致的非线性屈曲分析。最后,将两次模拟结果进行比较,给出了根据结构的加载响应曲线判断结构的屈曲类型、结构的屈曲临界点以及分析结构后屈曲承载能力的方法。     

正置正交加筋薄壁柱壳优化设计参数化有限元方法研究

利用有限元软件建立轴压正置正交加筋薄壁圆柱壳的参数化有限元分析模型,研究结构参数对薄壁加筋圆柱壳结构的临界载荷和屈曲模式的影响。随着蒙皮厚度的增加,结构的屈曲模式由局部屈曲逐步变化到总体屈曲,屈曲载荷上升;随着加筋厚度或宽度的增加,由总体屈曲变化到局部屈曲,屈曲载荷上升。通过等体积时的参数变化对屈曲载荷和屈曲模式的影响研究,表明在对应某体积的设计中,只有一种设计使结构屈曲载荷达到最大,而当此最大的屈曲载荷等于设计载荷时,是最轻重量的设计。在此基础上发展一种基于APDL(Ansys parametric design language)语言的薄壁加筋圆柱壳结构优化设计方法,利用该方法给出设计算例的优化结果。     

Buckling and vibration of stiffened plates subjected to partial edge loading

The buckling and vibration characteristics of stiffened plates subjected to in-plane partial and concentrated edge loadings are studied using finite element method. The initial stresses are obtained considering the pre-buckling conditions. Buckling loads and vibration frequencies are determined for different plate aspect ratios, edge conditions and different partial non-uniform edge loading cases. The non-uniform loading may also be caused due to the supports on the edges. The analysis presented determines the stresses all over the region for different kinds of loading and edge conditions. In the structural modelling, the plate and the stiffeners are treated as separate elements where the compatibility between these two types of elements is maintained. The vibration characteristics are discussed and the results are compared with those available in the literature. Buckling results show that the stiffened plate is less susceptible to buckling for position of loading near the supported edges and near the position of stiffeners as well.