复合材料尾翼前缘结构抗鸟撞仿真及试验验证研究

目的 依据适航条款25.631的要求,对飞机复材尾翼前缘结构抗鸟撞能力进行仿真分析及试验验证。方法 根据复材鸟撞仿真计算的需要,建立了获取复材动态力学性能参数的试验矩阵,开展了复材动态力学性能测试及本构模型参数标定。应用标定后的复材本构模型参数,对尾翼前缘结构的抗鸟撞能力进行了仿真分析,同时开展了试验验证。结果 试验结果与仿真结果良好的一致性,表明建立的鸟撞数值仿真模型能够较合理地预计尾翼前缘结构的损伤。结论 建立的试验证矩阵和经试验验证过的复材鸟撞仿真分析方法对飞机结构抗鸟撞设计具有一定的指导作用。     

某型飞机尾翼前缘不同构型抗鸟撞计算与试验分析

目的通过不同构型的抗鸟撞研究,找到满足25.631[1]条吸能最好的尾翼前缘构型。方法结合某型民机尾翼前缘结构设计,规划了3种构型6种方案进行优选,分析中,鸟体采用SPH光滑粒子,金属材料则考虑了不同应变率下的动态力学性能,对其进行了结构动力学鸟撞冲击仿真分析,并同选型研发试验的结果进行了对比。结果仿真与试验结果一致,吻合度较高,结合吸能情况,选择最佳的前缘布置方案。结论验证了仿真分析手段的合理可靠性,并且在构型优化过程中得到最佳设计方案。     

芳纶纤维对飞机尾翼结构抗鸟撞性能影响研究

目的研究飞机尾翼结构采用芳纶纤维复合材料的抗鸟撞性能。方法根据芳纶纤维夹芯和芳纶纤维层合板两种飞机尾翼前缘构型,分别建立有限元模型进行仿真计算,分析两种构型鸟撞后的损伤和变形,并对两种构型进行抗鸟撞性能研究试验。结果芳纶夹芯前缘构型前缘凹陷,前梁没有破裂;芳纶层合板前缘构型前缘破裂,前梁有破损。试验结果与仿真分析结果高度吻合。结论芳纶夹芯前缘构型比芳纶层合板前缘构型具有更好的抗鸟撞性能。芳纶纤维层合板构型会造成前缘蒙皮变形过大,前梁腹板破损,导致飞机鸟撞后维修成本较高。     

热塑性复合材料高速冲击时不同失效模式对比分析研究

目的准确地对热塑性复合材料前缘结构进行抗鸟撞冲击设计。方法首先基于刚度退化、材料塑性及应变率影响的复合材料本构关系,通过霍普金森拉-压杆测试得到热塑性复合材料的动力学性能参数。基于不同的失效模式,采用PAM-CRASH显式有限元法,针对运输类飞机热塑性复合材料机翼前缘结构在高速冲击时的破坏形式进行对比分析研究。结果热塑性复合材料较其他复合材料在临界拉伸损伤极限值和纵横向及屈服应力的率相关性上具有更好的性能。冲击分析时,失效应变应考虑材料破坏瞬间的强化效应。剪切应变取值为0.1左右时,前缘结构计算仿真失效的结果与试验结果一致性较高,应变误差仅为6.2%,破坏尺寸误差为4.9%。结论在复合材料失效参数较复杂的情况下,抗冲击设计可将拉伸、压缩、剪切及层间失效等多目标优化设计简化为等效剪切应变失效的单目标优化,此方法可推广应用于其他类型复合材料的抗冲击设计。     

包装装备跌落撞击缓冲特性分析

目的 获得尺寸和质量最小的缓冲结构.方法 基于能量守恒原理,建立包装装备缓冲结构撞击环境缓冲特性理论分析的数学模型,获得正撞和侧撞工况下缓冲结构尺寸和防护效果的变化关系.研究采用新型泡沫填充蜂窝材料的缓冲结构设计,优选泡沫填充蜂窝材料参数.建立缓冲结构撞击环境的物质点法计算模型,开展高速撞击的数值仿真.分析包装装备在撞击环境下的吸能效果,获得被保护产品的速度变化曲线.结果 在不同撞击姿态的撞击环境下,缓冲结构尺寸随撞击能量的增大而增大,缓冲材料密度减小和平台应力增大可减小缓冲结构尺寸.优选密度为600 kg/m3的泡沫填充蜂窝材料,可使得缓冲结构尺寸和质量最小,相比于传统木材,可降低质量约49％.物质点数值计算分析验证了该缓冲结构可将高速撞击速度降低到目标低速撞击水平.结论 采用泡沫铝填充蜂窝吸能材料的缓冲结构,满足撞击环境缓冲防护的安全性需求,可大幅降低整体质量.     

先进增强结构仿真分析与实验研究

目的研究先进增强结构受载条件下的应力分布特点。方法开展先进增强结构有限元仿真分析,模拟先进增强结构在单轴载荷作用下的应力应变特点,同时开展先进增强结构力学试验。试验以0.02 mm/s的速度匀速加载至20kN,采用应变检测方法获取先进增强结构复合材料结构和金属基体结构的应力应变大小,对比分析有限元和试验结果。结果先进增强结构有限元仿真分析结果和试验测试结果吻合度高,先进增强结构能降低金属基体结构的应力水平,降低程度约为15.8%。结论按照飞机高应力区结构特点和载荷分布特点,合理布置先进增强结构,减小局部区域的应力水平,提高该区域的疲劳和损伤容限性能。     

蜂窝夹层结构及其在直升机噪声控制上的应用

介绍了传统蜂窝夹层结构,它是由蜂窝芯材耦合面板/薄膜组合而成,具有优异的降噪特性。为进一步提升蜂窝夹层结构的降噪性能,结合多孔吸声原理及“吸/隔声结构功能一体化”概念,将多孔吸声材料填充至蜂窝芯中,形成了基于多孔吸声的蜂窝夹层结构,但中、低频降噪性能较差。结合微穿孔板、亥姆霍兹共振理论,开发了基于共振吸声的单自由度蜂窝夹层结构,由蜂窝芯材耦合穿孔面板/薄膜组合而成,提升了中、低频降噪特性,但是依旧存在降噪频带过窄的问题,只能在某段特定频率范围内表现出良好的降噪特性。为此,研发了基于共振吸声的多自由度蜂窝夹层结构,利用各层穿孔面板/薄膜和蜂窝结构特性,实现了不同频率噪声控制。最后总结了蜂窝夹层结构在国内外直升机被动噪声控制上的应用情况,展望了新型蜂窝夹层结构的发展趋势。     

机翼带外挂高阶高频颤振特性研究

目的研究机翼带多外挂物引起的高阶高频颤振的特性,为类似事例提供参考。方法基于某飞机带多外挂物构形进行结构动力学建模与修正、颤振计算分析和低速颤振风洞试验,最终进行颤振飞行试验验证。结果颤振计算分析和低速颤振风洞试验,可以得出明显的以副翼旋转和机翼二扭为主的高阶高频颤振,颤振飞行试验随着速度的增加,频谱分析图中低频峰值逐渐减小,高频峰值不断明显,与风洞试验规律基本一致,有高阶高频颤振迹象。结论各种研究方法均可得出高阶高频颤振现象及其特点,基本证实高阶高频颤振的存在。     

基于应变模态方法的飞机蒙皮分布动载荷识别

目的解决飞机蒙皮分布动态载荷确定的工程实际问题。方法将基于广义正交多项式的复杂分布动载荷识别技术与应变模态理论相结合,建立利用有限个测点的应变响应和结构应变频响函数作为已知参数的飞机蒙皮分布动载荷识别模型。利用Nastran软件,以某型飞机机身中段外蒙皮为例,分别采用位移模态方法和应变模态方法进行了70、80、90、100 Hz下的蒙皮分布动载荷识别,并进行对比分析。结果以应变响应作为已知参数的应变模态载荷识别方法,在各计算频率下均具有较好的识别精度,最大识别误差为8.9%,能够满足工程应用。在各识别频率下,采用应变方法识别过程中的积分矩阵条件数小于位移方法。在100 Hz识别频率下增加3%随机误差干扰后,位移识别方法最大误差为19.4%,采用应变方法的载荷识别最大误差为9.8%。结论相比于传统的采用位移模态的载荷识别方法,以应变响应作为已知参数的应变模态载荷识别方法具有更好的数值稳定性,对于解决结构共振频率附近频响函数矩阵奇异性问题具有很好的应用价值。     

固体发动机药柱应力应变仿真与试验验证研究

目的研究某导弹固体发动机药柱在不同环境温度下的性能演变规律。方法利用ABAQUS有限元分析软件,仿真计算了药柱在-40,20,50℃下的应力应变情况,在此基础上通过推进剂拉伸应力松弛试验对仿真结果进行验证分析。结果最大应力应变发生在头部人工脱粘层的根部,药柱内部沿径向越靠近内孔表面,应力应变的数值越大,沿药柱的轴向,内孔表面的最大应力应变发生在靠近药柱中间位置。结论线粘弹性本构关系模型在较低应变水平下可以很好地模拟出推进剂的力学行为,当应变水平在14.3%以下时,试验和仿真的相对误差能控制在10%以内。     

Serial Elastic Elements in the Damselfly Wing: Mobile Vein Joints Contain Resilin

 Two main types of joints occur in the damselfly wing: mobile and immobile. Some longitudinal veins (RP2^–, RP3&4^–, and MP^–) are elastically joined with cross veins, whereas other longitudinal veins (IR1⁺, IR2⁺, MA⁺, CuA'⁺) are firmly joined with cross veins. In this study we mapped the distribution of serial elastic elements in the wing. The occurrence of resilin, a rubberlike protein, in mobile joints suggests that the automatic twisting mechanism of the leading edge by aerodynamic force works not by flexibility but by the elasticity of these joints. First, it should result in elastic energy storage in the distal areas of the wing. Second, serial elastic elements of wing presumably act as dampers of an aerodynamic force, which are responsible for gradual twisting of the leading edge. Received: 16 March 1999 / Accepted in revised form: 26 August 1999     

加工误差对压气机叶栅气动性能的影响

目的 研究不同区域加工误差对叶片气动性能的影响。方法 选用轴流压气机出口级静叶叶中截面,以叶型厚度变化和中弧线变化为特征,分别在叶型前缘、最大厚度和尾缘区域添加加工误差,采用数值模拟方法,对比设计叶型气动性能,研究叶型各区域几何偏差对性能的影响。结果 叶型前缘几何偏差对气动性能的影响最大,偏差造成的中弧线偏移对性能变化起主导作用。尾缘区域几何偏差对性能的影响趋势与前缘区域完全相反。考虑叶型整体偏差时,轮廓度正偏差造成的性能恶化更加显著。结论 所得的几何偏差影响规律可为实际叶片加工过程中工艺的制定和超差审理提供数据支持。     

典型复合材料加筋壁板落锤/冰雹冲击损伤仿真分析研究

目的研究复合材料层压板落锤和冰雹离散源冲击损伤特性。方法对于落锤和冰雹,分别以刚体模型和弹塑性模型,构建本构模型。对于加筋板,基于Cohesive内聚力界面单元的B-K失效准则,对复合材料层间分层破坏进行数值模拟。通过对多材质冲头、不同冲击能量、不同冲击角度下其响应及损伤扩展特性开展研究,并对比复合材料层压板落锤冲击及冰雹离散源冲击试验数据,对数值计算方法进行对比验证。结果在机体相同部位的落锤、冰雹能量截止值冲击下,落锤低速冲击的损伤响应要大于冰雹离散源冲击。同时,冰雹冲击能量越大,冲击角度越接近于90°,其损伤响应也越大。结论落锤和冰雹离散源冲击仿真方法在损伤响应及扩展的预测与试验结果接近,可以为复合材料冲击损伤引入及抗冲击性能研究提供基础。     

全复合材料翼面振动主动控制技术研究

目的减小复合材料结构振动响应。方法以全复合材料翼面为研究对象,结合该翼面结构有限元模型,建立带有压电作动器的结构动力学仿真模型。利用PID(Proportional,Integral and Differential)控制理论设计主动控制律,基于Simulink仿真平台设计控制律程序,通过控制律变参分析得出PID控制各参数的设计规律,基于仿真模型进行主动控制仿真试验。以仿真试验结果为基础,在复合材料翼面上进行振动主动控制地面试验。结果有效地控制了复合材料翼面振动响应,振动响应减小了79.74%,验证了模型和控制律设计的有效性。结论以压电作动器作为控制作动器,通过PID控制理论设计控制律,能够有效控制全复合材料翼面振动,使振动减小。     

强冲击荷载作用下加无粘结预应力筋格栅坝动力响应分析

泥石流拦挡坝主要以增加自身刚度来提高其拦挡能力,但对于巨石块的碰撞,坝体刚度越大,其受冲击力也越大,相应的坝体结构破坏也越大。创新性地将无粘结预应力筋设置在普通格栅坝中,利用ABAQUS软件对普通格栅坝和加无粘结预应力筋格栅坝在相同冲击条件下(以10m/s的冲击速度)坝体被撞后动能的变化、加速度响应值、位移值和Von-mises应力进行了有限元数值模拟计算与对比分析。结果表明:加无粘结预应力筋格栅坝比普通格栅坝能吸收更多的冲击能量,冲击方向的加速度响应值更小,具有更好的抗冲击性能。     

步降试验数据仿真及其验证方法

目的设计并验证步降应力试验数据的仿真方法,为开展其他仿真分析提供理论支撑。方法通过蒙特卡罗方法,根据步降试验的基本原理,对其试验数据进行仿真过程分析,根据仿真结果回推既定参数,通过比较得到仿真误差。结果仿真数据回推的参数与给定参数的误差为0.732%。结论仿真误差在可控范围内,说明仿真方法及其验证方法有效,保证了仿真的可行性。