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固体火箭技术 2014年第2期37卷 262-266,271页

作者：戴维蓉杨涛王天琪李亮玉牛雪娟天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387 天津工业大学机械学院天津300387

针对复合材料自动铺放的路径规划问题,提出了一种新的基于自由曲面构件纤维变刚度铺放的方法。根据角度线性变化方式设计了角度参数为>45°/0°<的空间铺放路径,采用空间等距法及正交投影法生成自由曲面芯模表面上的所有铺放路径,并保存... 详细信息

针对复合材料自动铺放的路径规划问题,提出了一种新的基于自由曲面构件纤维变刚度铺放的方法。根据角度线性变化方式设计了角度参数为>45°/0°铺放路径,采用空间等距法及正交投影法生成自由曲面芯模表面上的所有铺放路径,并保存成IGES格式,以获取路径数据信息。应用NURBS曲线拟合铺放路径,拟合结果表明,IGES格式不受芯模形状和边界条件的影响,减少了运算量。计算初次拟合后的铺放路径误差为δ(0.09、0.63、0.3 mm),进行节点细化后的误差减小到δ1(0.01、0.09、0.05 mm),从而提高了铺放头运动轨迹的精确度。应用铺放机器人系统对此路径规划算法进行仿真,得仿真偏差δ2(0.01、0.03、0.15 mm),偏差较小,符合铺放要求,表明所提出的方法可实现任意方向任意变角度的纤维曲线铺放,满足铺放工艺要求。

关键词：变刚度铺放自由曲面构件 NURBS曲线 IGES格式铺放机器人系统仿真

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变刚度铺放改善单钉双剪螺栓连接拉伸强度

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玻璃钢／复合材料 2017年第2期 26-31页

作者：牛雪娟杨涛李阳天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

沿最大主应力方向的变刚度铺放可有效提高复合材料构件的强度。以与孔周围设定区域内,单元格上流场速度矢方向与有限元得到的最大主应力方向之间的差异最小为优化目标,优化有势流场构造参数,从而得到优化的变刚度铺层轨迹。该方法得到... 详细信息

沿最大主应力方向的变刚度铺放可有效提高复合材料构件的强度。以与孔周围设定区域内,单元格上流场速度矢方向与有限元得到的最大主应力方向之间的差异最小为优化目标,优化有势流场构造参数,从而得到优化的变刚度铺层轨迹。该方法得到的变刚度铺层能最大程度地使纤维主方向与层合板在该点处的最大主应力方向一致。研究结果表明,变刚度铺放不仅可提高层合板的拉伸强度,还可使试件在达到极限载荷后的承载能力下降速度平缓,从而降低了发生瞬时性损坏的概率。

关键词：变刚度铺放单钉双剪螺栓连接有势流场最大主应力方向

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变刚度铺放优化复合材料力学性能

变刚度铺放优化复合材料力学性能

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作者：李阳天津工业大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料作为一种新型材料,具有强度高、刚度大、可设计等一系列优点。近些年来,在航空、机械、医学等领域日益受到广泛的应用。但是在实际工程应用中,常需要在复合材料层合构件上开孔,构件承受载荷时容易在孔周围产生应力集中。... 详细信息

碳纤维复合材料作为一种新型材料,具有强度高、刚度大、可设计等一系列优点。近些年来,在航空、机械、医学等领域日益受到广泛的应用。但是在实际工程应用中,常需要在复合材料层合构件上开孔,构件承受载荷时容易在孔周围产生应力集中。由于此种现象的存在,层合构件承载能力降低,容易失稳。因此,对于如何降低层合板孔周围的应力集中,提高层合板的承载能力已经成为众多学者研究的问题。本文基于有势流场函数设计复合材料层合板的变刚度铺放轨迹,为提高层合板的力学性能提供一种新的有效解决方法。利用有势流场函数构造变刚度的铺放轨迹,建立起铺放轨迹设计与力学分析之间的桥梁。曲线铺放轨迹使层合板在不同的位置具有不同的铺放角度,实现层合板铺放过程中不同位置处刚度的定点设计,充分利用了碳纤维的可设计性及承载能力,同时克服了传统直线铺放层合板整个构件刚度不变以及容易失稳的缺点。优化有势流场函数时,采用快速、高效的LM算法,该算法使流场中不同位置处速度方向与给定载荷工况下层合板对应位置处的最大主应力方向尽可能的一致,同时在算法中加入权重,使算法更具实用性。利用获得的曲线铺放轨迹,在满足层合板所需力学性能的同时,实现轻量化。在有限元的分析中,首先要利用铺放轨迹获得变刚度层合板的模型。先对含孔直线板与变刚度板进行拉伸仿真。通过对比分析,验证变刚度铺放对孔边应力集中的改善。其次,对复合材料层合板中的各组分进行力学性能参数的设置,采用MCT准则对它们进行独立的渐进失效分析。对比分析两类层合板的极限载荷,结果表明,采用变刚度铺放的含中心孔层合板的孔边应力集中下降了 10.67%,极限载荷提高了接近2倍,验证了变刚度曲线铺放方法的有效性。

关键词：含孔层合板变刚度铺放孔边应力集中 LM算法 MCT准则

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基于流场函数的变刚度层合板铺放设计

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固体火箭技术 2014年第6期37卷 848-855页

作者：牛雪娟杨涛杜宇天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备重点实验室天津300387

文章提出了一种新的变刚度铺层轨迹设计方法,即采用一对互相共轭的标量场函数实现复合材料变刚度铺层的轨迹定义和铺层设计。最后,通过有限元建模和算例对比方法,对直线铺放层合板和变刚度铺放层合板进行压缩特征值屈曲分析和非线性屈... 详细信息

文章提出了一种新的变刚度铺层轨迹设计方法,即采用一对互相共轭的标量场函数实现复合材料变刚度铺层的轨迹定义和铺层设计。最后,通过有限元建模和算例对比方法,对直线铺放层合板和变刚度铺放层合板进行压缩特征值屈曲分析和非线性屈曲分析,得出变刚度铺放层合板的屈曲特性比直线铺放层合构件提高约23.62%,y方向的屈曲变形位移减小为直线铺层构件的59.47%,大幅度提高了构件的抗压缩屈曲特性,同时也验证了该设计方法的可行性和实用价值。

关键词：变刚度铺放标量场函数正交铺层压缩屈曲分析

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变刚度CFRP层合板低速冲击损伤分析与纤维角度优化

变刚度CFRP层合板低速冲击损伤分析与纤维角度优化

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作者：李辰阳天津工业大学

学位级别：硕士

碳纤维复合材料是一种具有高强度、高刚度、耐腐蚀、质量轻、设计性强等优点的新型复合材料。近年来,碳纤维复合材料在航空、机械、医疗等领域得到广泛应用。但碳纤维复合材料制品在制作与使用过程中常常会受到各种冲击作用而发生不同... 详细信息

碳纤维复合材料是一种具有高强度、高刚度、耐腐蚀、质量轻、设计性强等优点的新型复合材料。近年来,碳纤维复合材料在航空、机械、医疗等领域得到广泛应用。但碳纤维复合材料制品在制作与使用过程中常常会受到各种冲击作用而发生不同程度的基体损伤、纤维损伤、分层损伤等情况。由于此情况的存在,将导致层合板结构件的承载能力降低,影响结构的稳定性和可靠性。因此,如何提高层合板的抗冲击能力、稳定性和可靠性已经成为众多学者研究的重点问题。本文采用曲线铺放预浸料窄带的方式制备变刚度复合材料层合板,通过仿真和试验的对比分析,验证了此种方法的可行性。通过构建纤维角度线性变化变刚度铺放轨迹的数学模型,来建立纤维曲线铺放轨迹设计与本构方程之间的桥梁。曲线铺层轨迹使层合板的材料方向角度因所处层合板位置的不同而发生改变,实现层合板不同位置处的刚度根据需求定点设计,充分利用了碳纤维复合材料的可设计性,改善了传统的常刚度层合板在受到冲击、压缩等载荷时易出现的内部应力过度集中以及分层损伤情况。在有限元仿真分析中,首先根据冲击试验工况建立了复合材料层合板的冲击模型。通过Matlab编程以及利用Python对Abaqus的二次开发对复合材料层合板的不同点位赋予指定的预浸带方向。共设计了九组不同的变刚度层合板,采用三维Hashin失效准则和二次应力准则对层合板进行渐进失效分析。量化对比变刚度与常刚度层合板的分层损伤面积、吸收能量、应力分布等差异。结果表明,采用变刚度铺放的层合板的损伤面积相对传统常刚度层合板最多减少2.57%,承受的最大载荷提高了9.67%。同时进行了低速冲击试验研究,与仿真结果相互对照,验证了变刚度铺放方法对层合板抗冲击性能的改善情况。为寻求变刚度曲线铺放轨迹角度的最优解,需要对纤维铺放轨迹角度进行优化。优化方法采用具有高效、快速特点的遗传算法。考虑到纤维曲率的限制,将纤维角度T固定在60°内。通过经典层合板理论,设计得出变刚度层合板的等效抗弯刚度作为遗传算法的目标函数,使优化结果更具针对性。利用优化后获得的纤维铺放轨迹角度,使变刚度复合材料层合板的抗冲击性能达到最佳。

关键词：复合材料层合板变刚度铺放有限元仿真 Hashin准则遗传算法

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