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编织复合材料机身隔框的冲击动力学特性

复合材料学报 2017年第8期34卷 1780-1787页

作者：高宾华任毅如湖南大学机械与运载工程学院长沙410082

为提高飞行器的适坠性能,对二维三轴编织复合材料机身隔框的冲击动力学特性进行研究。基于连续介质损伤力学建立了机身隔框在冲击载荷作用下的有限元模型。该模型根据不可逆热力学理论并结合Weibull分布建立损伤扩张准则,采用Hashin失... 详细信息

为提高飞行器的适坠性能,对二维三轴编织复合材料机身隔框的冲击动力学特性进行研究。基于连续介质损伤力学建立了机身隔框在冲击载荷作用下的有限元模型。该模型根据不可逆热力学理论并结合Weibull分布建立损伤扩张准则,采用Hashin失效准则确定损伤阈值函数。在迭代过程中,剪应力与正应力相互耦合,且分别考虑材料在纵向和横向的损伤破坏。在此基础上研究了材料参数变化对机身隔框冲击动力学性能的影响,并对各种情况下的瞬态动力学特征和能量吸收特性进行对比分析。数值结果表明该有限元模型能够准确求解编织复合材料机身隔框的非线性瞬态动力学问题,载荷峰值和吸收的能量分别与试验结果相差1.5%和4.7%,且纵向的弹性模量和压缩强度等材料参数对机身隔框的冲击动力学响应影响较大。

关键词：适坠性吸能结构机身隔框编织复合材料冲击响应

传输高速纳米流的石墨烯增强复合纳米管的接触动力响应:尺寸依赖性对局部/全局瞬态响应的影响

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Acta Mechanica Sinica 2023年第3期39卷 26-41页

作者：金其多任毅如 College of Mechanical and Vehicle Engineering Hunan UniversityChangsha 410082China

流体输送纳米管在纳米机电系统中起着关键作用.本文研究了输送高速纳米流体石墨烯增强复合材料(GRC)纳米管在横向低速冲击下的接触动态响应和应力场,建立了考虑滑移流、非局部应力和应变梯度效应的尺寸相关模型.基于精细梁理论,推导了... 详细信息

流体输送纳米管在纳米机电系统中起着关键作用.本文研究了输送高速纳米流体石墨烯增强复合材料(GRC)纳米管在横向低速冲击下的接触动态响应和应力场,建立了考虑滑移流、非局部应力和应变梯度效应的尺寸相关模型.基于精细梁理论,推导了流致后屈曲和接触振动的控制方程,其中后屈曲平衡路径为冲击振动分析提供了初始构型.采用两步摄动-高阶Galerkin截断-Runge-Kutta(R-K)方法的计算模式研究接触动力响应.通过收敛性分析,得到了保证精度所需的截断项.获得了接触力曲线、跨中位移时程曲线和应力场,以指导强度设计.此外,还揭示了流致后屈曲纳米管在冲击作用下的动态跳跃失稳行为.结果揭示了非局部应力和应变梯度对接触动态响应和应力场的双重影响,并提供了对尺寸效应敏感的流速范围.

关键词： Slip flow Nonlocal strain gradient theory Fluid-conveying nanotube Low-velocity impact Stress field

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基于拓扑优化的直升机旋翼桨叶剖面设计

工程力学 2014年第5期31卷 244-250页

作者：任毅如向锦武北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

提出了一种基于拓扑优化的直升机旋翼桨叶剖面设计方法。采用了有限元方法计算直升机旋翼桨叶剖面刚度特性,截面考虑了剪切和翘曲变形,并消除了翘曲位移和刚体位移之间的耦合作用。基于SIMP拓扑优化算法,以旋翼桨叶平均柔度或者剖面刚... 详细信息

提出了一种基于拓扑优化的直升机旋翼桨叶剖面设计方法。采用了有限元方法计算直升机旋翼桨叶剖面刚度特性,截面考虑了剪切和翘曲变形,并消除了翘曲位移和刚体位移之间的耦合作用。基于SIMP拓扑优化算法,以旋翼桨叶平均柔度或者剖面刚度为设计目标,桨叶重量为约束函数,建立了旋翼桨叶拓扑优化模型。提出的敏度求解算法具有较高的计算精度,采用序列线性规划算法对旋翼桨叶剖面进行优化设计。结果表明在展长较小并且承受均布升力载荷情况下,Ⅱ型截面梁的柔度最小,而当展长增大时,工字梁截面具有最小的柔度。此外,旋翼桨叶外载荷等对优化结果也有较大的影响。提出的拓扑优化方法适合于概念设计阶段的直升机旋翼桨叶剖面设计。

关键词：直升机旋翼桨叶拓扑优化翘曲变形序列线性规划

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复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃失效行为

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复合材料学报 2022年第4期39卷 1790-1797页

作者：邓亚斌任毅如蒋宏勇湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082 湖南大学机械与运载工程学院长沙410082

有效的触发机制能诱导并改善复合材料吸能结构的轴向渐进压溃行为,但仍无法解决汽车吸能结构在斜向冲击载荷下的失稳问题。为了提出新的设计来改善失稳行为,对复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃行为和失效机制进行研究。... 详细信息

有效的触发机制能诱导并改善复合材料吸能结构的轴向渐进压溃行为,但仍无法解决汽车吸能结构在斜向冲击载荷下的失稳问题。为了提出新的设计来改善失稳行为,对复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃行为和失效机制进行研究。建立引入半圆凹槽触发机制的圆管有限元模型,采用界面和层内非线性损伤演化模型来模拟其真实的压溃失效模式。通过对比模拟和实验对应的轴向压溃载荷、吸能和失效模式来验证圆管的准静态压溃模型。进而,预测斜向压溃角度(10°~50°)对圆管在半圆凹槽触发机制下压溃行为的影响,并详细揭示其轴向和斜向压溃失效机制及其区别。结果表明,压溃载荷、吸能及失效面积随角度增大而明显减小,不稳定的压溃过程使材料失效耗能不充分。圆管在轴向压溃下表现为渐进破坏,而在斜向压溃下以“渐进破坏”向“失稳破坏”过渡为特征,导致斜向压溃载荷与吸能曲线均存在一个过渡。本研究加深了对圆管在外部触发机制下斜向压溃失效机制的理解,为改善斜向压溃失稳行为提供了一定的设计依据。

关键词：复合材料吸能触发机制渐进失效耐撞性

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基于遗传算法的潮流能水轮机翼型优化设计

湖南大学学报（自然科学版） 2015年第10期42卷 59-64页

作者：任毅如张田田曾令斌湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙410082 中国长江三峡集团公司北京100036 广州船舶及海洋工程设计研究院广东广州510250

为了获得满足潮流能水轮机设计要求的专用翼型,基于遗传算法建立了水轮机翼型优化设计模型,该模型综合考虑了升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数等因素,采用XFOIL评估翼型的水动力性能,对几种典型设计要求情况下的水轮机翼型进行了... 详细信息

为了获得满足潮流能水轮机设计要求的专用翼型,基于遗传算法建立了水轮机翼型优化设计模型,该模型综合考虑了升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数等因素,采用XFOIL评估翼型的水动力性能,对几种典型设计要求情况下的水轮机翼型进行了优化设计.数值结果表明,该模型能够根据不同的设计要求获得相对应的水轮机翼型,不仅可以改善翼型的水动力系数,还能够避免翼型空化现象的产生.在最小化压力系数情况下,最大厚度位置更靠近翼型后缘,而最大化升力系数情况下则更靠近翼型前缘.为了达到指定的设计目标,需要考虑多个攻角下的升力系数或压力系数.

关键词：潮流能水轮机翼型水动性能空化

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飞行器机身结构耐撞性分析与设计

工程力学 2013年第10期30卷 296-304页

作者：任毅如向锦武罗漳平郑建强北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

耐撞性不仅是飞行器设计中的重要问题,而且还是其取得适航证的必要条件。该文对美国、欧盟和日本等在耐撞性研究方面的研究进行了总结,阐述了耐撞性设计中采用的数值模拟和试验研究方法及其主要问题。主要针对各种飞行器结构耐撞性设计... 详细信息

耐撞性不仅是飞行器设计中的重要问题,而且还是其取得适航证的必要条件。该文对美国、欧盟和日本等在耐撞性研究方面的研究进行了总结,阐述了耐撞性设计中采用的数值模拟和试验研究方法及其主要问题。主要针对各种飞行器结构耐撞性设计方法进行介绍,对比了轻型固定翼飞机、直升机和大中型民用飞机的耐撞性设计特点。能量吸收结构是耐撞性设计的关键问题之一,对提高飞行器机身能量吸收能力的机身底部结构、机身加强框和客舱地板撑杆结构等设计方法进行详细介绍,总结了飞行器耐撞性可靠性分析和优化设计方法。最后对飞行器结构耐撞性设计的发展作了展望。

关键词：飞行器耐撞性复合材料适航条例能量吸收结构

含黏弹性夹芯FG-GRC后屈曲梁的低速冲击响应

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力学学报 2021年第1期53卷 194-204页

作者：金其多任毅如胡绚蒋宏勇湖南大学机械与运载工程学院长沙410082 湖南大学汽车车身先进设计与制造国家重点实验室长沙410082

研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite,FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确... 详细信息

研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite,FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确定冲击器和梁之间的接触力.提出了考虑轴向预应力的复合材料层本构关系和阻尼层的Kelvin型黏弹性本构.通过一种广义高阶剪切变形锯齿梁模型建立夹芯梁的非线性位移场.基于Hamilton能量变分原理,推导了动力学控制方程组.通过两步分析,首先获得弹性后屈曲平衡路径作为冲击问题的初始状态.随后,结合四阶龙格库塔法,拓展了两步摄动−伽辽金法计算接触力的时程曲线以及后屈曲梁的位移时程曲线.研究了后屈曲梁在单次和两次撞击下双稳态大幅振荡过程的动力学特征.讨论了轴向载荷、冲击速度、黏弹性阻尼特性、冲击器材料等因素对于碰撞接触力以及后屈曲梁动力响应的影响规律.结果表明,接触力仅对冲击速度较为敏感,一定的结构碰撞参数设计可以在接触力变化不大的情况下,使得后屈曲梁由单势能阱运动转变为双阱大幅振荡.

关键词：低速冲击后屈曲梁 FG-GRC 跳跃振荡黏弹性

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微小型无人直升机避障最优轨迹规划

北京航空航天大学学报 2014年第2期40卷 246-251页

作者：孟少华向锦武罗漳平任毅如北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对无人直升机在低空复杂环境下避障飞行问题,提出了一种基于非线性最优控制理论的求解策略.以避障机动飞行时间为优化目标,无人直升机六自由度非线性动力学方程为等式约束,直升机飞行性能限制以及三维空间中障碍物限制等因素为不等式... 详细信息

针对无人直升机在低空复杂环境下避障飞行问题,提出了一种基于非线性最优控制理论的求解策略.以避障机动飞行时间为优化目标,无人直升机六自由度非线性动力学方程为等式约束,直升机飞行性能限制以及三维空间中障碍物限制等因素为不等式约束,建立了避障机动飞行的最优控制模型.然后利用高斯伪谱法(GPM,Gauss Pseudospectral Method)将轨迹规划问题转化为非线性规划(NLP,Non-Linear Programming)问题,并采用序列二次规划算法进行求解.在此基础上研究了障碍物尺寸对最优轨迹的影响.计算结果表明,该方法能够以较高的精度生成真实可行的避障飞行轨迹,最优机动动作取决于障碍物纵横向尺寸比.

关键词：避障轨迹规划高斯伪谱法非线性最优控制

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仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝结构耐撞性

航空学报 2021年第3期42卷 308-318页

作者：任毅如蒋宏勇金其多朱国华湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082 湖南大学机械与运载工程学院长沙410082 长安大学汽车学院西安710064

基于自然界微观生物结构的启发,设计了1种新型仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝(ARH),并对其耐撞性能进行数值模拟。结合竹子的梯度结构和椰子树的同心胞结构,提出了2种单向梯度和2种双向梯度同心ARH结构。梯度同心结构设计方法不仅可诱导结构... 详细信息

基于自然界微观生物结构的启发,设计了1种新型仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝(ARH),并对其耐撞性能进行数值模拟。结合竹子的梯度结构和椰子树的同心胞结构,提出了2种单向梯度和2种双向梯度同心ARH结构。梯度同心结构设计方法不仅可诱导结构渐进的冲击行为,而且因其较低的等效壁厚可改善其比吸能能力。与传统ARH结构相比,对仿生ARH结构的平台应力和吸能特性进行研究,并分析耦合压溃变形模式、收缩变形机理和负泊松比效应等来揭示结构的增强机理。结果表明:预测的耐撞响应和压溃变形模式与参考结果相似;相对传统的ARH,梯度同心ARH有更高的平台应力和比吸能,且平台应力的上升和压溃变形模式均呈梯度变化;梯度方向对压溃变形模式和各层变形顺序影响较大;双向梯度同心ARH比单向梯度同心ARH因耦合变形具有更高的吸能能力;同心胞数对蜂窝各层的收缩变形有较大影响。

关键词：负泊松比蜂窝结构仿生设计耐撞性增强设计梯度