復(fù)合材料等效熱傳導(dǎo)參數(shù)有限元計(jì)算

2010年7月第36卷第7期 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào) journalofbeijinguniversityo faeronauticsandastronauticsjuly 2010vol.36no.7 收稿日期:2009-05-15 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10902004 作者簡(jiǎn)介:趙麗濱(1976-,女,副教授,黑龍江肇東人,lbzhao@buaa.edu.c n. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)三維有限元分析的材料參數(shù) 趙麗濱秦田亮李嘉璽 (北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院,北京100191 付月 (北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京100191 摘要:在調(diào)研現(xiàn)有文獻(xiàn)復(fù)合材料

本文介紹了有限元軟件abaqus的有限元建模和仿真分析的過程,并且應(yīng)用abaqus對(duì)層合板/夾層板的熱膨脹和熱彎曲問題進(jìn)行分析,建模過程中分別采用實(shí)體單元和殼單元兩種不同單元建模,分別對(duì)兩種單元建立模型的熱膨脹和熱彎曲問題仿真分析。通過與精確解的比較可以得出：實(shí)體單元可以更好的應(yīng)用于復(fù)合材料層合/夾層結(jié)構(gòu)的熱膨脹和熱彎曲問題。具有一定的工程指導(dǎo)意義。

主要對(duì)帶孔復(fù)合材料板和螺栓連接復(fù)合材料板的三維應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),帶孔復(fù)合材料板在受單向拉伸時(shí),在相同載荷(面應(yīng)力)作用下,復(fù)合材料板的厚度對(duì)板的強(qiáng)度影響不大,隨著厚度的增加,板上最大應(yīng)力值變化不大;對(duì)于帶孔板而言,孔的形狀對(duì)孔周邊應(yīng)力集中程度影響比較大,孔為橢圓孔,并且長(zhǎng)軸方向與載荷方向平行時(shí),孔邊應(yīng)力集中程度比較小;而當(dāng)橢圓的短軸與載荷方向平行時(shí),應(yīng)力集中程度最大;孔為圓孔時(shí),應(yīng)力集中程度介于上面兩種形狀之間。對(duì)于多孔復(fù)合材料板計(jì)算發(fā)現(xiàn),多孔板在受拉作用下,各個(gè)孔周圍應(yīng)力分布與孔的位置有關(guān),在距離板邊沿越近的孔,其周圍最大等效應(yīng)力值越大;對(duì)螺栓連接板而言,螺栓的材料參數(shù)對(duì)板的應(yīng)力分布影響不大,板上最大應(yīng)力都位于孔的右端稍偏下位置;螺栓連接復(fù)合材料板在相同的載荷作用下,板上最大等效應(yīng)力值隨螺栓的彈性模量的增大也相應(yīng)增大

針對(duì)空間結(jié)構(gòu)中常見的復(fù)合材料層合殼體結(jié)構(gòu)發(fā)展了一種多層相對(duì)自由度層合殼元。這種實(shí)體型殼元既可以用較粗的網(wǎng)格很好地模擬層合殼,又易與三維實(shí)體單元相連接,使變厚度、帶有補(bǔ)強(qiáng)的復(fù)合材料層合殼體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)得以正確建模。同時(shí)運(yùn)用旋轉(zhuǎn)周期有限元技術(shù)對(duì)大規(guī)模的空間復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)成功實(shí)施了屈曲分析。數(shù)值算例驗(yàn)證了本文計(jì)算策略的有效性。

碳纖維復(fù)合材料圓梁彎曲振動(dòng)有限元分析

交通工程中大量使用信號(hào)燈架,其質(zhì)量、耐久性、造價(jià)是工程建設(shè)的重要指標(biāo).筆者介紹了復(fù)合材料的性能,用大型結(jié)構(gòu)分析軟件ansys對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料制作的紅綠燈架進(jìn)行了有限元分析,并與普通鋼材紅綠燈架進(jìn)行了分析和比較.

利用ansys大型分析軟件,建立屬于表面非線性和材料非線性相耦合問題的復(fù)合材料錨桿螺紋螺帽聯(lián)接的彈塑性軸對(duì)稱接觸有限元模型。對(duì)復(fù)合材料錨桿螺紋螺帽在間隙配合時(shí)軸向載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,復(fù)合材料錨桿螺紋螺帽聯(lián)接能夠滿足煤礦安全生產(chǎn)的強(qiáng)度和剛度要求,為復(fù)合材料螺紋螺帽聯(lián)接的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),對(duì)復(fù)合材料錨桿螺紋螺帽聯(lián)接在工程實(shí)際中的推廣使用有著重要的意義。

通過對(duì)w型鋼帶的結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn),設(shè)計(jì)出復(fù)合材料π型帶,并與w型鋼帶進(jìn)行了有限元分析比較,得出了復(fù)合材料π型帶優(yōu)于w型鋼帶的結(jié)論。

復(fù)合材料是一種比強(qiáng)度和比模量均較高的材料,通過鋪層角的優(yōu)化設(shè)計(jì),在一定范圍內(nèi)還可以改變其性能,提高其承載能力。復(fù)合材料已在大型風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中獲得成功應(yīng)用。葉片是風(fēng)力機(jī)受力最為復(fù)雜的部件,也是最重要的部件之一。風(fēng)力機(jī)想要獲得較高的風(fēng)能利用系數(shù)和較大的經(jīng)濟(jì)效益,其基礎(chǔ)就是設(shè)計(jì)良好的葉片。近年從全球風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀和趨勢(shì)來看,風(fēng)電裝機(jī)容量逐年上升,其根本原因就在于風(fēng)力發(fā)電所具有的環(huán)保性和可再生性,因此風(fēng)力發(fā)電還有巨大的發(fā)展空間。本文結(jié)合葉片的工作特性對(duì)某大型風(fēng)機(jī)復(fù)合材料葉片進(jìn)行了有限元分析,為保證風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性提供了依據(jù)。

利用ansys大型分析軟件,建立屬于表面非線性和材料非線性相耦合問題的復(fù)合材料錨桿螺紋螺帽聯(lián)接的彈塑性軸對(duì)稱接觸有限元模型.對(duì)復(fù)合材料錨桿螺紋螺帽在間隙配合時(shí)軸向載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.計(jì)算結(jié)果表明,復(fù)合材料錨桿螺紋螺帽聯(lián)接能夠滿足煤礦安全生產(chǎn)的強(qiáng)度和剛度要求,為復(fù)合材料螺紋螺帽聯(lián)接的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),對(duì)復(fù)合材料錨桿螺紋螺帽聯(lián)接在工程實(shí)際中的推廣使用有著重要的意義.

復(fù)合材料密封圈非線性大變形的有限元分析

采用非線性接觸模型,建立了復(fù)合材料密封圈的大變形有限元方程,分析了這種密封圈在不同壓縮量,不同減壓槽半徑以及不同接觸區(qū)域尺寸下的變形和接觸壓應(yīng)力的變化規(guī)律,得出密封圈安裝固定與其壓縮量、減壓槽半徑、接觸區(qū)域尺寸等因素之間的關(guān)系。結(jié)果表明:密封圈的接觸壓應(yīng)力主要是發(fā)生在密封圈的一些關(guān)鍵部位,其中最大壓力發(fā)生在角點(diǎn),在安裝定位面上存在小的接觸壓應(yīng)力,并且認(rèn)為有這種接觸應(yīng)力存在時(shí),安裝是到位的。綜合考慮過盈量、減壓槽半徑及各點(diǎn)的接觸壓應(yīng)力與減壓槽的變形率之間的關(guān)系,推薦使用0.04~0.08mm的徑向安裝過盈量,0.2~0.5mm的減壓槽半徑,減壓槽變形率在25%~30%之間的密封圈比較合適。

利用ansys有限元軟件對(duì)復(fù)合材料和鈦合金開孔平板進(jìn)行強(qiáng)度分析,針對(duì)碳纖維復(fù)合材料具有各向異性和鈦合金具有各向同性的特點(diǎn),在線性彈性范圍內(nèi)采用有限元的數(shù)值解法對(duì)開孔平板進(jìn)行強(qiáng)度分析.分析結(jié)果表明復(fù)合材料具有較高的承載能力,為復(fù)合材料開孔層合板在工程實(shí)際中的應(yīng)用提供了參考依據(jù).

通過有限元方法對(duì)四根纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固的鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。與試驗(yàn)研究的結(jié)果比較后得出,通過建立正確的分析模型,有限元分析可以有效地模擬加固梁的力學(xué)性能。同時(shí),對(duì)有限元分析得到比試驗(yàn)結(jié)果較低的極限承載力的因素進(jìn)行了探討。

顆粒增強(qiáng)方法是實(shí)現(xiàn)材料高性能化的重要手段。預(yù)測(cè)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系是實(shí)現(xiàn)材料增強(qiáng)增韌的基礎(chǔ)。為更好地分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化復(fù)合材料,需要引入多尺度計(jì)算模型來考察細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響。基于均勻化理論,采用voronoi有限元法對(duì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行細(xì)觀數(shù)值模擬,從而預(yù)測(cè)材料的宏觀等效彈性常數(shù),并直接得到材料的細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)。在細(xì)觀尺度,首先假設(shè)滿足平衡條件的應(yīng)力場(chǎng),采用voronoi應(yīng)力單元建立余能泛函并得到細(xì)觀控制方程,最終形成可直接求解的線性代數(shù)方程組,從而求得應(yīng)力系數(shù)并得到細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)。在宏觀尺度,利用商業(yè)有限元軟件ansys來進(jìn)行宏觀結(jié)構(gòu)分析。通過均勻化方法求得彈性模量的宏觀平均值,將其輸入ansys系統(tǒng)即可進(jìn)行計(jì)算,由此把宏細(xì)觀兩個(gè)尺度耦合起來,可以對(duì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行有效的力學(xué)分析。

本文通過管狀c/c復(fù)合材料的3d模型,推導(dǎo)出纖維體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式。用有限元分析軟件對(duì)管狀c/c復(fù)合材料進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬。并在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同溫度載荷下溫度分布情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,管狀c/c復(fù)合材料其傳熱能力能夠滿足不同溫度載荷條件下的傳熱要求。此法還可以進(jìn)一步完成在不同溫度載荷下管狀c/c復(fù)合材料的熱應(yīng)力分析。

結(jié)合復(fù)合材料修正后的h-r混合變分原理,直接借助應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,推導(dǎo)了新的應(yīng)力模式,建立了復(fù)合材料層合板的雜交等參有限元列式。利用mathematica語言編程進(jìn)行數(shù)值實(shí)例分析,其計(jì)算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的精確解以及abaqus軟件建模分析結(jié)果對(duì)比,實(shí)例證明該方法所得到的各個(gè)靜力學(xué)量更接近精確解,并且可用較少的網(wǎng)格劃分得到較精確的解。

對(duì)復(fù)合材料開孔層合板有限元建模過程中網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行量化研究。應(yīng)用參數(shù)化的方法建立多種板寬孔徑比、多種鋪層比例的開孔層合板模型,逐級(jí)調(diào)整網(wǎng)格密度,計(jì)算單軸拉伸載荷作用下孔邊最大應(yīng)力集中系數(shù)。根據(jù)有限元結(jié)果,結(jié)合牛頓插值的數(shù)值計(jì)算方法,模擬出開孔層合板合理的網(wǎng)格密度劃分方程。然后,對(duì)該網(wǎng)格劃分方程下計(jì)算的數(shù)值解進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證與解析解驗(yàn)證。結(jié)果表明,這種網(wǎng)格密度劃分方程能有效地降低計(jì)算誤差,可以在板寬孔徑比大于3的復(fù)合材料開孔層合板的有限元計(jì)算中廣泛使用。

復(fù)合地基固結(jié)性狀有限元分析與研究——采用水泥土攪拌樁為研究對(duì)象，對(duì)復(fù)合地基固結(jié)性狀進(jìn)行了有益的探討。利用有限元計(jì)算對(duì)弱排水樁復(fù)合地基孔壓消散的規(guī)律進(jìn)行了分析與研究，得出了樁端處孔壓隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及不同荷載作用下的孔壓分布情況，并通過實(shí)測(cè)...

采用有限元模型分析了加筋墊層在不同加筋密度和加筋間距下,加筋地基的沉降與加筋墊層的應(yīng)力擴(kuò)散,并同試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較,得出了基于有限元分析方法的相關(guān)結(jié)論。

重慶國(guó)際復(fù)合材料有限公司是一家以"科技興企"為核心理念而快速發(fā)展起來的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè);公司建有市級(jí)的技術(shù)中心及工程技術(shù)研究中心?？傎Y產(chǎn)75億元,員工5200余人,是云南云天化控股的一家大型中外合資企業(yè)。作為中國(guó)三大玻璃纖維基地之一,公司經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)列同行業(yè)第一,產(chǎn)能居國(guó)內(nèi)第二、全球第三,是國(guó)內(nèi)最大的風(fēng)電用紗、

為綜合粘結(jié)型錨具與夾片型錨具各自的優(yōu)點(diǎn),在已有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱cfrp)筋錨具的基礎(chǔ)上,研究由粘結(jié)部分與夾持部分協(xié)同工作而成的復(fù)合型錨具。由直筒粘結(jié)型錨具的靜載試驗(yàn),研究膠體粘結(jié)性能,粘結(jié)長(zhǎng)度、膠體厚度對(duì)錨固性能的影響。通過復(fù)合型錨具靜載試驗(yàn),研究該類錨具的失效模式、極限荷載、滑移變形等,結(jié)合錨固區(qū)實(shí)測(cè)應(yīng)力變化,初步分析錨固應(yīng)力的傳遞機(jī)制。通過有限元分析方法,模擬計(jì)算夾片傾角、錐角差、預(yù)緊力等參數(shù)對(duì)復(fù)合型錨具內(nèi)部受力的影響,得到建議設(shè)計(jì)參數(shù),為復(fù)合型錨具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。