带长圆孔碳纤维复合材料圆管的振动试验与仿真分析

以实际工程背景为基础,对以带长圆孔圆管为主要部件的结构进行动力学试验,得到结构的基频。采用商业有限元软件ABAQUS,通过数值模拟计算得到结构的前几阶频率与模态。通过数值计算结果与试验数据的对比分析,验证了这种数值模拟方法的可靠性,最后在此基础上,对多组带长圆孔碳纤维复合材料圆管进行了数值仿真计算,分析了长圆孔、局部加强部位以及圆管铺层方式(铺设角度、铺层顺序、铺层比例)的设计对带长圆孔圆管基频的影响,结果表明局部加强部位和0°铺层角对圆管基频的影响十分显著。     

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.     

基于铺层参数的复合材料耐压壳协同优化设计

在给定的材料性能条件下,以耐压壳纤维体积分数和层合板厚度为设计变量,以结构质量最小为优化目标进行复合材料耐压壳的布局优化;以铺层参数作为优化变量,综合考虑结构的稳定性及其材料强度,实现了结构铺层方式的优化设计;通过协调各子系统优化结果,实现了适用于潜水器复合材料耐压壳结构/材料一体化的协同优化设计.结果表明:耐压壳结构质量较优化前的降幅为20.57%,临界失稳压力为30.78MPa,失效指数为0.675,优化结果达到预期效果.所提出的基于铺层参数的协同优化方法能够对复合材料耐压壳进行优化设计,解决了直接以铺层角作为设计变量的优化效率低的问题.     

一种特殊三维层叠应力杂交元模型研究

在原有高精度三维层叠应力杂交元模型基础上，针对铺层不连续复合材料结构进行分析，引入锲体子层单元来模拟铺层间断处基体过渡段，建立起新型端面节点数不同的层叠杂交元模型，该模型继承了原来层叠杂交元所具有的层间应力连续性，能在结构整体计算时兼顾局部应力集中影响的特点，同时直接将层叠应力杂交元的应用扩展到铺层不连续复合材料结构的层裂效应计算，数值计算结果表明，该模型具有很好的收敛性，计算精度较高，适合工程计     

CFRP-TRB超混杂复合汽车B柱结构的优化设计

B柱是汽车的关键承载结构件之一。为了提高某轿车的侧面碰撞性能并实现B柱轻量化设计,结合汽车B柱的结构特点以及不同材料的特性,设计一种碳纤维增强复合材料(CFRP)-差厚钢板(TRB)复合B柱结构。将传统B柱中部加强板去除,B柱外板设计为差厚板的同时在其内侧局部铺贴碳纤维增强复合材料。基于Optistruct对该复合B柱内外板的厚度分布以及复合材料的铺层顺序及铺层厚度进行了优化设计。整车侧面碰撞模拟结果表明,在满足制造工艺要求的条件下,新型超混杂复合B柱结构达到了27.7%的轻量化效果,并同时提高了侧面碰撞的耐撞性。     

一种特殊三维层叠应力杂交元模型研究

在原有高精度三维层叠应力杂交元模型基础上，针对铺层不连续复合材料结构进行分析，引入锲体子层单元来模拟铺层间断处基体过渡段，建立起新型端面节点数不同的层叠杂交元模型，该模型继承了原来层叠杂交元所具有的层间应力连续性，能在结构整体计算时兼顾局部应力集中影响的特点，同时直接将层叠应力杂交元的应用扩展到铺层不连续复合材料结构的层裂效应计算．数值计算结果表明，该模型具有很好的收敛性，计算精度较高，适合工程计算应用，具有一定的理论研究和实用价值     

非对称铺层T700复合材料层合板铺层顺序优化

为分析经过铺层顺序优化后的复合材料层合板的承载能力,基于有限元优化设计软件,构建碳纤维复合材料层合板有限元模型,施加边界条件与轴向载荷,进行力学性能分析;以碳纤维复合材料层合板铺层顺序为设计变量,以层合板主应变、连续角度铺层不超过四层等为约束条件,最大承载能力为设计目标,对层合板进行优化;并对优化后的层合板基于强度理论进行校核,结合力学试验对比分析优化前后的层合板力学性能差异.结果表明:碳纤维复合材料层合板铺层顺序经过优化后,承载能力增强,试验结果与仿真结果具有一致性,优化方法是合理可靠的.     

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.     

复合材料等效模量的计算

该文叙述了对称铺层层压板复合材料等效模量的两种计算方法,并对层合板的等效模量分别用这两种方法进行了计算,比较了计算结果,得出了相应的结论,为飞机复合材料结构和强度设计人员提供了参考。     

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。     

倾斜荷载盐渍土地基承载力数值计算与试验研究

盐渍土是一种四相组成的特殊土。这种特殊性导致工程中确定的盐渍土地基承载力尤其在倾斜荷载作用下时,容易出现偏差。本文以柴达木盆地典型盐渍土地基承载力特征为研究对象,采用现场载荷试验和数值模拟计算的方法,研究了倾斜荷载作用下盐渍土地基承载力特征。结果表明,在倾斜荷载作用下,数值模拟计算确定的盐渍土地基承载力特征值和现场试验确定的特征值相差2.37%,数值模拟计算结果和现场试验结果基本一致。在建立数值模拟计算模型时,需要考虑盐渍土地基中存在结晶盐楔体被压碎、溶陷造成土层附加应力非线性分布特征。数值模拟计算结果可做为确定倾斜荷载作用下的盐渍土地基承载力的特征值的依据。     

基于应变斜面斜率的圬工拱桥加固后组合截面承载力计算方法

针对圬工拱桥通过增大截面法、套箍法等加固后组合截面承载力计算问题。在考虑原结构初始应力及材料非线性的基础上,从轴力及弯矩与应变斜面斜率的关系出发,分析了组合截面抗拉极限状态及抗压极限状态下的承载力,提出了存在二次受力的组合截面承载力计算方法;并以上、下缘均加固的矩形组合截面为例,推导了计算公式。通过工程实例进行了验证,结果表明方法可行。     

圆形钢套管加固方形混凝土柱轴心受压性能

为研究圆形钢套管加固混凝土柱的基本力学性能,进行了1根未加固的普通钢筋混凝土柱和10根圆形钢套管加固的混凝土短柱在不同加固钢套管厚度及初始轴压比下轴心受压试验,初始轴力通过对未加固试件施加后张预应力来进行模拟;在试验研究的基础上,根据应变协调原则对加固后构件轴压承载力进行了数值分析.研究结果表明,加固构件的承载力随着钢套管厚度的增加而增加,初始轴压比的变化对加固后构件的承载力影响不显著,且理论分析结果与试验结果吻合较好.     

爆炸作用下土中竖井结构荷载分布规律

为研究爆炸作用下非饱和黏土中竖井上荷载分布规律，开展了8组土中竖井受侧向爆炸作用模型试验及24组数值模拟计算。通过对比数值模拟与试验结果，验证了数值模拟计算合理性。根据试验及数值模拟计算结果，分析了竖井上荷载的时空分布规律，提出了能够合理描述荷载轴向、环向空间分布的预测公式。结果表明：(1) 荷载轴向上是钟形分布，并且随着装药距离的增加分布越发均匀，且可以认为荷载在一定轴向范围内是同时达到的；(2) 荷载环向呈现明显的时空不均匀性，侧压系数和背压系数都随着装药距离与结构直径比值的增大而增大；(3) 分别采用修正的正态分布曲线和三角函数曲线描述荷载的轴向和环向分布是合理的。预测公式可以用于竖井结构抗爆分析。     

不同轴压比装配式RC圆柱抗震性能分析

为研究轴压比对装配式全灌浆套筒连接高强混凝土圆柱抗震性能的影响,采用有限元软件ABAQUS建立装配式钢筋混凝土(RC)圆柱的数值分析模型,并进行验证.在试验参数的基础上,扩大数值模型轴压比的取值范围,研究轴压比对装配式RC圆柱的承载能力、刚度退化及延性性能等抗震性能指标的影响规律.结果表明:模拟得到的破坏形态、骨架曲线与试验结果基本吻合,且精度较高;当轴压比由0.20增至0.90时,试件的屈服荷载、峰值荷载均随轴压比增大而增大,延性性能反而降低,试件的极限位移由67.50 mm减少至31.76 mm,降低约53%;当轴压比大于0.90时,试件的承载能力、延性性能均随轴压比的增加而降低.因此,轴压比对装配式RC圆柱抗震性能的影响较大,在较高轴压比下,装配式RC圆柱仍具有较好的抗震性能.     

CFRP约束圆钢管高强混凝土短柱轴压试验研究

为研究混凝土强度、径厚比、CFRP(碳纤维增强复合材料)层数及CFRP包裹方式等参数对CFRP约束圆钢管混凝土轴压静力性能的影响,进行了6个圆钢管混凝土短柱和18个CFRP-钢管混凝土短柱的轴压对比试验.研究发现CFRP的约束对圆钢管混凝土承载力有较显著的提升,且承载力的提高幅度随着CFRP的增加而增加.钢管高强、超高强混凝土短柱的破坏形态呈现为剪切破坏,延性较差,CFRP的约束可以改善其延性,且CFRP层数越多延性越好.半包CFRP试件性能接近于全包CFRP试件性能.随径厚比增大,CFRP约束效果下降.若黏结良好,试件失效前,CFRP与钢管能保持协同工作;最后选取了3个经典的CFRP约束钢管混凝土轴压承载力公式进行验算,发现基于CFRP和钢管双重约束的公式能较好地预测其承载力.     

基于OpenSees的钢管混凝土柱-钢梁错层节点抗震性能有限元分析

为研究钢管混凝土柱-钢梁错层节点抗震性能,基于已有试验研究成果,利用OpenSees有限元软件,对钢管混凝土柱-钢梁错层节点进行数值模拟,将模拟结果与试验结果进行对比,两者较吻合。通过数值模拟,分析了轴压比、混凝土强度等级和钢材强度等参数对钢管混凝土柱-钢梁错层节点抗震性能的影响。结果表明:在轴压比为0.3～0.7范围内,随轴压比增大,结构承载力降低明显;随混凝土强度等级提高,试件极限承载力特征值增大较为明显,最大增幅达9.39%;通过对比发现,合理提高钢材强度可以有效增加结构承载力和延性,当模拟计算Q345钢材时,试件极限承载力增加了26.08%,破坏点位移值增加了8.41%。     

负载下焊接加固铁塔角钢轴压构件的受力性能

为研究不同加固截面形式、初始负载大小对铁塔轴压角钢焊接加固后受力性能的影响,选择了方形和L形两种加固截面形式,在4档不同初始负载下进行了焊接加固角钢的轴压单调加载静力试验,得到了焊接加固后角钢的荷载位移曲线、极限稳定承载力和破坏模式.针对试验试件建立了有限元模型,进行了考虑焊接间接热力耦合方法的数值模拟计算.对比试验和数值计算结果表明:两种加固截面破坏模式为整体弯曲失稳;相对于方形加固截面试件,L形加固截面试件对于热输入的影响更加敏感,延性较差;当初始负载名义应力比不超过0.3时,可以忽略初始负载大小对加固后角钢轴压构件极限稳定承载力的影响.     

短柱型钛合金帽型加筋结构极限承载能力分析方法

帽型加筋结构在飞机上的应用十分广泛,为保证飞机结构的安全性,必须对这类结构进行稳定性分析。以钛合金双层蒙皮帽型加筋结构为研究对象,采用工程估计方法“板元法”和“切割法”进行计算分析加筋板的的极限承载载荷,研究了其在轴向压缩载荷下的极限承载能力和破坏模式;并通过试验对其计算结果进行对比分析。结果表明,切割法的误差为13.4%,相比之下,板元法与有限元仿真的计算结果与真实试验值十分接近,误差分别为4.5%和3.2%。针对此类型结构,用板元法预测具有一定的工程应用价值。     

基于埋深效应与宽度效应的高填方涵洞地基承载力计算

为探明上埋式涵洞侧填土荷载对地基承载力的影响,基于普朗特尔-赖斯纳与太沙基极限承载力理论,研究了涵洞基础深度效应与宽度效应下涵洞基底粉质黏土、黏性土与砂土地基承载力变化规律与曲线特征。此外,基于涵洞地基的实际受力情况与涵洞地基承载力计算图示,修正了太沙基地基承载力计算方法,并将用修正方法计算得到的涵底地基承载力结果与数值模拟计算结果、太沙基方法计算结果进行了对比分析。结果表明:(1)涵洞基础深度效应与宽度效应对高填方涵洞地基承载力的提高作用明显,随着基础埋深系数的增加,粉质黏土、黏性土与砂土的地基承载力值随之增加,粉质黏土与黏性土地基增加的幅度较小,砂土地基增加的幅度较为显著;(2)当基础宽度系数k≥5时,黏土与砂土地基承载力增长幅度减小,而粉质黏土地基承载力增长幅度较大;(3)填土高度为6 m时,改进方法计算得到的地基承载力值比有限元法大8.78%,比太沙基计算公式法大18.72%,改进方法比太沙基方法更接近涵洞地基极限承载力值。