复合材料泡沫夹层结构在汽车外饰轻量化中的应用和拓扑优化

(完整word版)飞机夹层结构复合材料零部件的损伤形式及修理方法

常见飞机蜂窝板损伤形式及修理方法航空器复合材料中的蜂窝板是由薄而强的两层面板中间胶接蜂窝材料而成的一种新型复合材料，也称蜂窝层合结构(见图1)。其面板选材有金属板、玻璃纤维、石英纤维、碳纤维等；夹心材料主要有芳纶、玻璃纤维、铝合金及发泡型结构。蜂窝可制成不同的形状。飞机上的蜂窝结构是由耐腐蚀夹心、面板、衬垫、隔板（假梁）、边肋等零件胶合而成。面板与夹芯之间用胶膜胶接，蜂窝夹芯用芯子胶和耐腐蚀胶根据实际需要形状施加真空压力后加温胶接成型。图1 蜂窝夹心板结构一、航空复合材料蜂窝结构损伤种类根据航空复合材料蜂窝结构部件在使用过程中可能出现损伤的情况，我们可以大致将胶接蜂窝结构部件的损伤分以下5类： 1、表面损伤图2 典型表面凹坑此类损伤一般通过目视检查发现，包括表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀、表面蒙皮裂纹、表面小凹坑和局部轻微压陷等。这类损伤一般对结构强度不产生明显的削弱。 2、脱胶及分层损伤

该损伤是指纤维层与层之间或面板与夹芯之间的树脂失效缺陷，主要通过敲击检查、超声波检测等手段发现。此类损伤一般不引起结构外观变化，大多是在生产过程中造成的初始缺陷，并在反复使用过程中缺陷不断扩展而导致的。脱胶或分层面积过大会引起整体复合材料强度的削弱，应及时予以修补。 3、单侧面板损伤这类损伤包括单侧面板局部压陷、破裂或穿孔，一般通过目视检查即可发现。该类型损伤能使一侧面板和蜂窝夹芯都受到损伤（表面塌陷），对气动性能和结构强度影响较大。一旦发现该类损伤必须经过修理和检验确认后方能能重新使用。 4、穿透损伤该类型损伤是指蜂窝部件出现穿透性损伤、严重压陷和较大范围的残缺损伤等。此类损伤对结构性能和强度有严重的影响，根据受损情况立即予以修理或按需更换新件。 5、内部积水该损伤原因主要由于蜂窝结构边缘或蜂窝材料对接边缘密封不严或密封失效，在长期使用过程中由于雨水渗透、油液浸泡以及水汽冷凝而造成蜂窝夹芯出现积水。虽然一般情况蜂窝内部积水不会造成严重影响；但在冬季日夜气温变化较大的情况下，由于积液结冰膨胀将会会造成复合材料部件内部树脂基体脱胶；同时在积液的长期浸泡下也会使复合材料的树脂基体的胶接强度大幅降低而降低部件的整体性能；特别是各类复合材料制备的舵面、襟翼、翼身整流罩及发动机部件等，均应及时检查其内部蜂窝结构的积水情况并作出相应修理措施。目前该类损伤主要通过红外热成像、X-射线检测仪等手段进行检测。二、蜂窝结构的检查方式 1、目视检查目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。 2、手锤敲击法用于单层蒙皮蜂窝结构。用手锤敲击蜂窝结构的蒙皮，根据不同的声响来判断蜂窝结构是否脱胶。敲击时，注意锤头与蒙皮垂直，力度适当，以能判断故障不损坏蒙皮表面为宜。为使判断准确，可先在试件上试验。敲击回声清脆是良好，沉闷是脱粘。 3、外场在位检测的便携式相控阵超声波C扫描检测系统

拓扑优化经典99行程序解读

3188-1-1.html Sigmund教授所编写的top优化经典99行程序，可以说是我们拓扑优化研究的基础；每一个新手入门都会要读懂这个程序，才能去扩展，去创新； 99行程序也有好多个版本，用于求解各种问题，如刚度设计、柔顺机构、热耦合问题，但基本思路大同小异；本文拟对其中的一个版本进行解读，愿能对新手有点小小的帮助。不详之处，还请论坛内高手多指点读懂了该程序，只能说是略懂拓扑优化理论了，我手里就有一些水平集源程序是成千上万行，虽然在99行的基础上成熟了很多，但依然还有很多的发展空间。源程序如下： %%%% A 99 LINE TOPOLOGY OPTIMIZATION CODE BY OLE SIGMUND, JANUARY 2000 %%% %%%% CODE MODIFIED FOR INCREASED SPEED, September 2002, BY OLE SIGMUND %%% function top(nelx,nely,volfrac,penal,rmin); nelx=80; nely=20; volfrac=0.4; penal=3; rmin=2; % INITIALIZE x(1:nely,1:nelx) = volfrac; loop = 0; change = 1.; % START ITERATION while change > 0.01 loop = loop + 1; xold = x; % FE-ANAL YSIS [U]=FE(nelx,nely,x,penal); % OBJECTIVE FUNCTION AND SENSITIVITY ANAL YSIS [KE] = lk; c = 0.; for ely = 1:nely for elx = 1:nelx n1 = (nely+1)*(elx-1)+ely; n2 = (nely+1)* elx +ely; Ue = U([2*n1-1;2*n1; 2*n2-1;2*n2; 2*n2+1;2*n2+2; 2*n1+1;2*n1+2],1); c = c + x(ely,elx)^penal*Ue'*KE*Ue; dc(ely,elx) = -penal*x(ely,elx)^(penal-1)*Ue'*KE*Ue; end end

复合材料结构分析总结

复合材料结构分析总结说明：整理自Simwe论坛，复合材料版块，原创fea_stud，大家要感谢他呀目录 1# 复合材料结构分析总结（一）——概述篇 5# 复合材料结构分析总结（二）——建模篇 10# 复合材料结构分析总结（三）——分析篇 13# 复合材料结构分析总结（四）——优化篇做了一年多的复合材料压力容器的分析工作，也积累了一些分析经验，到了总结的时候了，回想起来，总最初采用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最后选定Ansys为自己的分析工具，确实有一些东西值得和大家分享，与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。（一）概述篇复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成，其主要优点是具有优异的材料性能，在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料，这种材料的特性表现为正交各向异性，对于这种材料的模拟，很多的程序都提供了一些处理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。笔者最初是用I-Deas下建立各项异性材料结合三维实体结构单元来模拟（由于研究对象是厚壁容器，不宜采用壳单元），分析结果还是非常好的，而且I-Deas强大的建模功能，但由于课题要求要进行压力容器的优化分析，而且必须要自己写优化程序，I-Deas的二次开发功能开放性不是很强，所以改为MSC.Patran，Patran 提供了一种非常好的二次开发编程语言PCL（以后在MSC的版中专门给大家贴出这部分内容），采用Patran结合Nastran的分析环境，建立了基于正交各项异性和各项异性两种分析模型，但最终发现，在得到的最后结果中，复合材料层之间的应力结果始终不合理，而模型是没有问题的（因为在I-Deas中，相同的模型结果是合理的），于是最后转向Ansys，刚开始接触Ansys，真有相见恨晚的感觉，丰富的单元库，开放的二次开发环境（APDL 语言），下面就重点写Ansys的内容。在ANSYS程序中，可以通过各项异性单元（Solid 64）来模拟，另外还专门提供了一类层合单元（Layer Elements）来模拟层合结构（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的复合材料。采用ANSYS程序对复合材料结构进行处理的主要问题如下：（1）选择单元类型针对不同的结构和输出结果的要求，选用不同的单元类型。 Shell 99 ——线性结构壳单元，用于较小或中等厚度复合材料板或壳结构，一般长度方向和厚度方向的比值大于10； Shell 91 ——非线性结构壳单元，这种单元支持材料的塑性和大应变行为； Shell 181——有限应变壳单元，这种单元支持几乎所有的包括大应变在内的材料的非线性行为； Solid 46 ——三维实体结构单元，用于厚度较大的复合材料层合壳或实体结构；

ANSYS结构分析指复合材料

ANSYS结构分析指南第五章复合材料 5.1 复合材料的相关概念复合材料作为结构应用已有相当长的历史。在现代，复合材料构件已被大量应用于飞行器结构、汽车、体育器材及许多消费产品中。复合材料由一种以上具有不同结构性质的材料构成，它的主要优点是具有很高的比刚度(刚度与重量之比)。在工程应用中，典型复合材料有纤维和叠层型材料，如玻璃纤维、玻璃环氧树脂、石墨环氧树脂、硼环氧树脂等。 ANSYS程序中提供一种特殊单元--层单元来模拟复合材料。利用这些单元就可以作任意的结构分析了(包括非线性如大挠度和应力刚化等问题)。对于热、磁、电场分析，目前尚未提供层单元。 5.2 建立复合材料模型与铁或钢等各向同性材料相比，建立复合材料的模型要复杂一些。由于各层材料性能为任意正交各向异性，材料性能与材料主轴取向有关，在定义各层材料的材料性能和方向时要特别注意。本节主要探讨如下问题：选择合适的单元类型；定义材料层；确定失效准则；应遵循的建模和后处理规则。 5.2.1 选择合适的单元类型用于建立复合材料模型的单元类型有SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLID46和SOLID191 五种单元。但 ANSYS/Professional 只能使用 SHELL99 和 SHELL46 单元。具体应选择哪一类单元要根据具体应用和所需计算结果类型等来确定。所有的层单元允许失效准则计算。 1、SHELL99--线性层状结构壳单元 SHELL99 是一种八节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元主要适用于薄到中等厚度的板和壳结构，一般要求宽厚比应大于10。对于宽厚比小于10的结构，则应考虑选用 SOLID46 来建立模型。SHELL99 允许有多达 250 层的等厚材料层，或者 125 层厚度在单元面内呈现双线性变化的不等材料层。如果材料层大于 250，用户可通过输入自己的材料矩阵形式来建立模型。还可以通过一个选项将单元节点偏置到结构的表层或底层。 2、SHELL91--非线性层状结构壳单元 SHELL91 与 SHELL99 有些类似，只是它允许复合材料最多只有 100 层，而且用户不能输入自己的材料性能矩阵。但是，SHELL91 支持塑性、大应变行为

蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展

收稿日期:2013-02-05 基金项目:航空自然科学基金资助(2010ZF56025) 作者简介:刘杰,1985年出生,硕士,助理工程师,主要从事芳纶纸蜂窝的生产与研制,E -mail:dnaliujie@https://www.360docs.net/doc/4c4452388.html, 蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展刘一杰1一一郝一巍1一一孟江燕2 (1一北京航空材料研究院,北京一100095) (2一南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌一330063) 文一摘一综述了有关铝蜂窝芯二芳纶纸蜂窝芯及其复合材料在制造工艺上的研究成果;蜂窝夹层结构复合材料在隔音二隔热二耐老化二冲击性能等方面的最新研究进展,并对蜂窝夹层结构复合材料的研究方向提出了几点建议三关键词一铝蜂窝,芳纶纸蜂窝,复合材料,力学性能 Progress in Applied Research of Honeycomb Sandwich Composites Liu Jie 1一一Hao Wei 1一一Meng Jiangyan 2 (1一Beijing Institute of Aeronautical Materials ,Beijing一100095) (2一School of Material Science and Engineering ,Nanchang Hangkong University ,Nanchang一330063) Abstract 一In this paper ,the manufacturing processof the aluminum honeycomb core ,Nomex honeycomb core and composite materials have been reviewed.Furthermore ,the latest research progress of the honeycomb sandwich composites sound insulation ,heat insulation ,anti-aging ,impact properties and other aspects has been overviewed.And some suggestions of research directions of honeycomb sandwich composites are presented.Key words 一Aluminum honeycomb ,Nomex honeycomb ,Composites ,Mechanical property 0一引言蜂窝夹层结构复合材料因其具有比强度高二抗冲击性能好二减振二透微波二可设计性强[1-2]等优点,目前已经被广泛应用,特别是航空航天领域,蜂窝夹层结构以其优越的性能成为该领域不可缺少的结构材料之一三早期的蜂窝夹层结构复合材料芯材大多数为金属芯材,随后出现了纸蜂窝夹层结构复合材料以及纤维增强树脂蜂窝等蜂窝芯材三目前的蜂窝夹层结构复合材料主要分为铝蜂窝夹层结构复合材料二Nomex 纸蜂窝夹层结构复合材料二玻璃钢夹层结构复合材料二棉布蜂窝夹层结构复合材料等[3],其中玻璃钢夹层结构复合材料已得到广泛的研究和应用,研究人员对于玻璃钢夹层结构复合材料的力学二隔音二隔热二抗冲击性能的研究都比较深入[4-6]三蜂窝夹层结构复合材料的性能主要由蒙皮和蜂窝芯材料的性能所决定[7],这些性能主要包括蒙皮的厚度与材质,蜂窝芯材的高度二材质二密度二孔格大小以及形状等[8]三近些年,研究人员围绕蜂窝夹层结构复合材料做了大量研究并取得了一定成果,本文对此作以简介三 1一铝蜂窝夹层结构铝蜂窝芯材主要由铝箔以不同的胶接方式胶接,通过拉伸而制成不同规格的蜂窝,芯材的性能主要通过铝箔的厚度和孔格大小来控制,再将铝蜂窝芯材和不同的蒙皮材料复合,形成铝蜂窝夹层结构复合材料三铝蜂窝夹层结构复合材料具有较高的力学性能,其芯材铝蜂窝的制造成本也相对较低三但铝蜂窝夹层结构复合材料在某些环境中使用时易腐蚀,在受到冲击后,铝蜂窝芯材会发生永久变形,使蜂窝芯材与蒙皮发生分离[9-10],导致材料的性能降低三部分研究者从胶接工艺对铝蜂窝夹层结构复合材料进行了研究三张京等[11]从胶黏剂筛选二表面处理方法和固化工艺三个方面对铝蜂窝夹层结构的胶接工艺进行了研究三选择了流动性较好的J -47胶膜;在对表面处理方式的研究中采用磷酸阳极化处理;通过对剪切强度的对比确定了夹层结构的最佳固化工艺三铝蜂窝夹层结构的大面积粘接成型一直是夹层结构批量生产的难题,为此,韦生文[12]对铝蜂窝

连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析

编号：SY-AQ-00556 ( 安全管理) 单位：_____________________ 审批：_____________________ 日期：_____________________ WORD文档/ A4打印/ 可编辑连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析 Topology optimization method of continuum structure and analysis of existing problems

连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析导语：进行安全管理的目的是预防、消灭事故，防止或消除事故伤害，保护劳动者的安全与健康。在安全管理的四项主要内容中，虽然都是为了达到安全管理的目的，但是对生产因素状态的控制，与安全管理目的关系更直接，显得更为突出。文章深入分析国内外连续体结构拓扑优化的研究现状，介绍了拓扑优化方法的发展及实现过程中存在的问题。对比分析了均匀化方法，渐进结构优化法，变密度法的优缺点。研究了连续体结构拓扑优化过程中产生数值不稳定现象的原因，重点讨论了灰度单元，棋盘格式，网格依赖性的数值不稳定现象，并针对每一种数值不稳定现象提出了相应的解决办法。结构拓扑优化设计的主要对象是连续体结构，1981年程耿东和Olhof在研究中指出：为了得到实心弹性薄板材料分布的全局最优解，必须扩大设计空间，得到由无限细肋增强的板设计。此研究被认为是近现代连续体结构拓扑优化的先驱。目前，国内外学者对结构拓扑优化问题进行了大量研究，这些

研究大多数建立在有限元法结构分析的基础上，但由于有限元法中单元网格的存在，结构拓扑优化过程中常常出现如灰度单元，网格依赖性和棋盘格等数值不稳定的现象。本文介绍了几种连续体结构拓扑优化方法及每种方法存在的问题，并提出了相应的解决办法。 1.拓扑优化方法连续体结构拓扑优化开始于1988年Bendoe和Kikuchi提出的均匀化方法，此后许多学者相继提出了渐进结构优化方法、变密度法等拓扑优化数学建模方法。 1.1.均匀化方法均匀化方法即在设计区域内构造周期性分布的微结构，这些微结构是由同一种各向同性材料实体和孔洞复合而成。采用有限元方法进行分析，在每个单元内构造不同尺寸的微结构，微结构的尺寸和方向为拓扑优化设计变量。1988年Bendsoe研究发现，通过在结构中引入具有空洞微结构的材料模型，将困难的拓扑设计问题转换为相对简单的材料微结构尺寸优化问题。很多学者发展了均匀化方法，Suzhk进行了基于均匀化方法结

连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析(最新版)

( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析(最新版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process

连续体结构拓扑优化方法及存在问题分析 (最新版) 文章深入分析国内外连续体结构拓扑优化的研究现状，介绍了拓扑优化方法的发展及实现过程中存在的问题。对比分析了均匀化方法，渐进结构优化法，变密度法的优缺点。研究了连续体结构拓扑优化过程中产生数值不稳定现象的原因，重点讨论了灰度单元，棋盘格式，网格依赖性的数值不稳定现象，并针对每一种数值不稳定现象提出了相应的解决办法。结构拓扑优化设计的主要对象是连续体结构，1981年程耿东和Olhof在研究中指出：为了得到实心弹性薄板材料分布的全局最优解，必须扩大设计空间，得到由无限细肋增强的板设计。此研究被认为是近现代连续体结构拓扑优化的先驱。目前，国内外学者对结构拓扑优化问题进行了大量研究，这些

夹芯复合材料夹心材料

【夹芯】夹芯材料简介一、原理自二十世纪四十年代低密度的夹芯材料就已用于复合材料，它可提高弯曲强度、降低重量。具有相同负荷能力的夹层结构要比实体层状结构轻好几倍。夹芯材料能够降低单位体积的成本、削弱噪音与震动、增加耐热、抗疲劳和防火性能等。夹芯材料的作用机理是将剪切力从表皮层传向内层，使两个表皮层在静态和动态载荷下都能保持稳定，并且吸收冲击能来提供抗破坏性能。二、分类用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。 ①硬质泡沫主要有聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚醚酰亚胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、发泡聚酯（PET）等。 ②蜂窝夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。蜂窝夹层结构的强度高，刚性好，但蜂窝为开孔结构，与上下面板的粘接面积小，粘接效果一般没有泡沫好。 ③轻木夹芯材料是一种天然产品，市场常见的轻木夹芯主要产自南美洲的种植园，由于气候原因，轻木在当地生长速度特别快，所以比普通木材轻很多，且其纤维具有良好的强度和韧性，特别适合用于复合材料夹层结构。三、应用领域夹芯材料的应用领域广阔，涉及能源、航空航天、船舶、交通运输、建筑等领域。航空航天飞机的主要部件，如机身，机翼和尾翼可采用PVC泡沫夹芯材料复合结构，同时使用丁二烯。在生产中不必进行高压高温处理。飞机的重量得以减轻。直升飞机最新一代复合螺旋桨叶采用密度较低、可耐大多数溶剂且可经受高压蒸煮温度和压力的PMI泡沫夹芯材料。它采用传统预浸工艺制造。这种新型复合螺旋桨

叶的寿命可达10000h/L，是先前金属桨叶寿命的十倍。今天超轻型竞赛飞机、飞机模型和现代"超级风车"的桨叶都使用了轻质木质夹芯材料。船舶常规的交联PVC泡沫己在船舶中广泛应用。瑞士海军的护卫舰使用了28、13.5、0.09m片状构造的丁二烯蜂窝夹芯材料。聚氨酯（PU）发泡夹芯材料也常用于船舶的建造。80kg/m3高密度泡沫可应用于承载部件如船舷等；80～120kg/m3的泡沫专门用作甲板和上部构造的芯材。硬质PU泡沫广泛用于水槽、绝缘板、结构性填料和充空填料。大型冷藏拖网鱼船很多是整体成型的夹芯构，用玻璃布制作内外蒙皮，夹芯材料的厚度为100mm。该类船具有轻质、高强、耐海水腐蚀、抗微生物附着以及吸收撞击能。很多游艇的船底、表面使用了标准的轻质木，以保证最大的剪切和挤压强度；船前部和甲板使用了密度较低的轻质木；隔壁面板室内地板和家具也使用了轻质木夹芯材料。在多杂物（浮木等）漂浮的巴拿马运河中营运的快速渡轮，其抗破坏能力应是首先考虑的，其次是总重量轻以保证渡轮的速度。由于这些原因，一种线型PVC 泡沫芯材被选作船壳底材，另一类型的PVC泡沫芯材作船壳侧面材料和舷侧突出部。部件使用玻纤增强表皮层和真空袋膜工艺；甲板和船舱侧面使用横纹轻质木夹芯材料，其表面用交联环氧树脂/玻纤板材做舱房表皮层，以保证渡轮达到ABS标准。交通运输交联的PVC夹芯材料在铁路运输中得到广泛应用，并用于公共汽车和有轨电车及摩托车等。一级方程式赛车模仿自然蜂窝结构，使用空心六边形管相互作用增强原理制作芯材。赛车具有高的抗冲击强度和能量吸收能力。比赛用自行车也采用这种蜂窝结构芯材。法国制造的铁路冷藏车采用PVC泡沫夹芯材料提高隔热效果。其它夹芯材料用于运输车辆主要是利用它们的绝缘性，如聚异氰酸酯绝缘泡沫塑料等。建筑夹芯材料在建筑上的应用十分广泛。在内外墙上使用纤维板、胶合板等各种夹芯材料，使墙壁具有隔音、隔热、轻质、高强等优点。由于顶棚强度要求不太高，只要求重量轻、刚性好，有一定防火、保温性能，其次是美观和价格便宜，安装方便，因此通常采用各种纤维芯材和PE钙塑泡沫芯材等。其它夹芯材料用在建筑上主要是利用它们的绝缘性。

蜂窝夹层结构复合材料

1.1.夹层结构一种复合构造的板、壳结构，它的两个表面由很薄的板材做成,中间夹以较轻的夹芯层。前者称为表板,要求强度高；后者称为夹层，要求重量轻。第二次世界大战时,为了充分利用木材资源,英国的“蚊式”轰炸机上就采用了全木质夹层结构。一般夹层结构用于机翼、尾翼、机身、箭体、箭头、减速板、发动机短舱、隔音装置、防火隔板等。与薄壁结构的薄蒙皮相比，夹层板的厚度大得多，抵抗失稳能力强，重量还可减小，而且表面光滑，气动外形良好。但它的制造工艺复杂，工艺质量又不易检验，所以应用受到限制。夹层结构表板的材料有铝合金、不锈钢、钛合金和各种复合材料。夹层材料有轻质木材、泡沫塑料等，也可用金属材料或复合材料制成波纹板夹层或蜂窝型夹层（见蜂窝结构）。夹层与表板一般用胶粘结在一起,也可用熔焊、焊接连接,形成整体。在总体受力分析中，认为上、下两表板只承受表板面内的拉、压力和剪切力,不能承受弯矩和扭矩,而中间夹层只承受垂直于夹层中面的切力。夹层结构与一般板壳结构受力分析的唯一差别在于挠度计算中除了考虑弯曲力矩产生的挠度外，还要考虑剪力的影响。夹层结构的两表板之间距离较大，所以夹层结构的弯曲刚度比一般板壳结构大得多，失稳临界应力显著提高。夹层结构自身不用铆钉,免除了钉孔引起的应力集中,提高了疲劳强度。夹层结构与相邻结构的连接较为复杂，夹层本身的局部接触强度较弱,又需承受连接的集中力,因此必须妥善进行接头设计。 1.1.类型、特点及应用类型：按面层分类：玻璃钢、金属、绝缘纸、胶合板、塑料板等按芯层分类：泡沫夹层结构、波板夹层结构、蜂窝夹层结构等。特点：轻质夹芯高强度面层

泡沫夹层结构的夹芯材料是泡沫塑料其质量轻、刚度大、保温隔热性能好。但是强度不高蜂窝夹层结构的夹芯材料是蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝、棉布蜂窝等) 特点：质量轻、强度大、刚度大应用：构件尺寸较大、强度要求较高的部件。如图：波板夹层结构波板夹层结构的夹芯材料是波纹板(玻璃钢波纹板、纸基波纹板和棉布波纹板)。特点：制作简单，节省材料，但不适用于曲面形状的制品，质量轻、刚度大。

拓扑优化

一种新的优化方法——拓扑优化。是一种以多种使用条件为目标优化参数的优化方式，可以提高零件的真正使用效益，更加准确的反映了设计的优化过程。优化设计可以在很大程度上改善和提高铸造件、锻造件和冲压件的性能，并减轻产品重量。然而，优化设计特别是拓扑优化很少应用在实际工程中。一方面是因为工程问题的复杂性和高度非线性，拓扑优化技术目前还无法实现这些系统优化问题，但更重要的是一门新的技术和方法很难取代人们已经习惯多年的思维模式和工作方式。工程设计人员需要有更系统、更科学的设计思想和方法，以达到提高产品开发效率、节约原材料、降低成本及提高产品质量的目的，结构优化设计则是实现这些目的较佳手段[1]。由于设计变量类型的不同，结构优化设计可以分为由易到难的四个不同层次：尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑布局优化。由于拓扑优化设计的难度较大，被公认为是当前结构优化领域内最具有挑战性的课题之一。但是在工程应用中，拓扑优化可以提供概念性设计方案，取得的经济效益比尺寸优化、形状优化更大，因此，拓扑优化技术对工程设计人员更具吸引力，已经成为当今结构优化设计研究的一个热点。发动机运转期间，主轴承座承受多种载荷，这些载荷包括：螺栓预紧载荷、轴瓦过盈载荷及曲轴动载荷等。目前，主轴承座的主要评价指标是结构的强度、刚度是否满足设计需求。在明确主轴承座承载情况和设计要求的前提下，作者对某大马力发动机原有主轴承座进行了最大爆发压力工况下的有限元分析。分析模型及主轴承座轴瓦径向变形量见图1（a）、图1 （b）和图1（c）。通过主轴承座的强度分析和动态疲劳安全系数分析可以得知：主轴承座的动态疲劳安全系数为1.843，远远大于安全系数阀值1，所以主轴承座的强度足以满足设计需求。而从图1（b）可以得知轴瓦在变形后水平方向径向减小0.0739mm ，已经接近曲轴、轴瓦径向间隙最小值0.079mm，这容易导致曲轴与轴瓦间缺少油膜润滑，形成干摩擦，最终导致曲轴磨损加剧，发动机动载荷增加，甚至机毁人亡的悲剧；另外从图1（c）可以得知轴瓦在变形后上下方向径向增加0.0971mm ，小于轴瓦径向变形许可值0.147mm 。所以，根据有限元分析结果可以判断：主轴承座在水平方向的刚度不足够，应该改进现有结构，提高其刚度性能。

基于拓扑优化的车身结构研究---经典

基于拓扑优化的车身结构研究瞿元王洪斌张林波吴沈荣奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖，241009 摘要：随着CAE技术的发展，虚拟仿真技术在汽车开发中的作用也愈来愈显著。而前期工程阶段，如何布置出合理的车身骨架架构，一直是个相对空白的地带，也是整车正向开发过程中绕不过的坎。尽管研发工程师根据经验，参照现有车型的结构特点，也能进行车身骨架架构的设定，但总是缺乏有效手段直观地反映不同车型结构布置的特点。本文用拓扑优化的方法，从结构基本特征的角度来审视这一问题，并运用该方法对某SUV车身结构进行研究，获得一些直观性的结论。关键词：车身,前期工程,拓扑优化 1引言随着对整车研发过程认识的加深，以及对正向开发过程的探索，在车型开发前期，对车身结构做出更合理的规划显得愈来愈重要。常规的研发思路之一是通过参考已有车型的结构，经过适当的修改，形成新的结构，并用于新车型中。但是对于原始车型的设计思路、结构布置的原因等缺乏系统的理解，或者理解不深，往往在更改过程中产生新的问题。为了部分解决上述问题，本文从结构拓扑优化的角度，对某SUV 车型车身结构的总体布置进行初步探讨，以期加深对结构布置的理解。 2研究方法概述合理化的车身结构，是满足整车基本性能的重要保障。为了能够实现结构的最优布置，文献[1]使用了拓扑优化工具来布置车身结构。其基本思路是从造型以及车内空间布置出发，建立车身空间的基础网格模型，然后根据一定的工况要求，对基础网格进行拓扑分析，并根据拓扑结果建立梁、板壳模型，并进行多项性能的优化，从而实现车身结构的正向开发。本文借助于该思想，建立研究对象的结构空间包络，并对该包络进行拓扑分析，然后将仿真结果与原始结构进行比较，寻找车身结构中的关键点，推测初始结构可能的布置思想，从而加深对该研究思路的理解。其基本过程如下图所示：

复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用

复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用摘要：蜂窝夹层结构复合材料的应用越来越广泛，特别是在一些特殊领域，尤其是在飞机制造中，蜂窝夹层结构复合材料已逐渐覆盖了飞机的整个机身结构，事实证明，蜂窝夹层结构对飞机的使用有着非常明显的帮助。本文介绍了蜂窝夹层结构的典型蜂窝几何结构、面板、蜂窝芯材类型和性能，阐述了蜂窝夹层结构在国外、国内飞机上的应用，并结合蜂窝夹层结构应用的一些细节论述了相应的设计方法。关键词：复合材料；蜂窝夹层结构；飞机飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的前提下，使结构尽可能轻，这一要求将不可避免地导致需使用稳定的薄蒙皮来承受拉伸、压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。在传统的飞机结构设计中，采用纵向加强件、增稳桁条、翼肋、隔框等结构对蒙皮进行加固，不可避免地导致结构增重问题。夹层结构是提高结构比刚度的有效结构形式之一，复合材料夹层结构具有重量轻、强度刚度好、耐热、吸声隔音、抗冲击、抗疲劳等特点，广泛应用于航空航天、汽车、通信、轨道车辆、造船、医疗器械、体育器材、土木工程等领域。一、复合材料蜂窝夹层结构复合材料夹层结构由两个薄面板和中间夹芯层组成，芯层和面板一般用胶粘接在一起，或用熔焊或焊接成一个整体。夹层结构的荷载传递方式与工字梁相似，上下面板主要承受由弯矩引起的面内拉压应力及面内剪应力，而芯材主要承受横向力产生的剪应力，上下面板间的距离增加了截面的惯性矩，提高了结构的抗弯刚度和材料的有效利用率与结构效率。复合材料蜂窝夹层结构的强度与蜂窝几何形状及蜂窝芯材有关。根据蜂窝的几何形状，蜂窝芯层分为标准六角形芯、矩形过膨胀芯、强化波纹芯、方格芯、特殊夹芯等。其中增强正六边形的强度最高，其次是正六边形蜂窝，因其制作简单，材料消耗低，强度高，因而应用最广。复合夹层结构的面板材料包括铝合金、钛合金、不锈钢、玻璃钢等复合材料，目前在航空结构中应用较多的是碳纤维单向带或织物增强复合材料。芯材有金属或非金属蜂窝、泡沫塑料等。金属蜂窝芯层主要为铝蜂窝，非金属蜂窝芯层主要有诺梅克斯纸蜂窝、玻璃布蜂窝、碳纤维蜂窝等，其中，铝蜂窝或诺梅克斯纸蜂窝具有压缩模量高、质量轻的优点，成为飞机结构中广泛应用的夹芯材料。铝蜂窝夹芯结构一般在大剪切载荷下使用，面板通常由金属板材制成。由于铝蜂窝与碳纤维面板一起使用，铝蜂窝与复合材料面板胶接时难以配合，此外，由于两种材料的热膨胀系数相差较大而引起的固化变形也很明显，若对两种材料间的电绝缘处理不当，易发生电化学腐蚀。诺梅克斯纸蜂窝强度略低于铝蜂窝，但其具有良好的韧性及抗损伤性，质量轻、抗压强度高、抗剪强度和疲劳强度好，具有各向异性特点，抗弯刚度/质量比及抗弯强度/质量比大；吸声、隔声、隔热性能好，易于协调复合材料黏接及组装，无腐蚀问题，还能满足FST(烟雾毒性)等要求，具有比铝蜂窝更少的局部不稳定问题。诺梅克斯纸蜂窝夹芯通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用，由于其丰富的应用经验和适中的成本，在航空领域得到了广泛的应用。二、蜂窝夹层结构复合材料的基本特性 1、质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高，同等质量的蜂窝夹层结构复合材

连续体结构拓扑优化方法评述_夏天翔

第2卷第1期2011年2月航空工程进展 A DV A N CES IN A ERON A U T ICA L SCIEN CE A N D EN GIN EERIN G Vo l 12N o 11Feb 1 2011 收稿日期:2010-12-01; 修回日期:2011-01-20基金项目:教育部长江学者创新团队项目(Irt0906)通信作者:姚卫星,w xyao@https://www.360docs.net/doc/4c4452388.html, 文章编号:1674-8190(2011)01-001-12 连续体结构拓扑优化方法评述夏天翔,姚卫星 (南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京 210016) 摘要:连续体结构拓扑优化在优化中能产生新的构型,对实现自动化智能结构设计具有重要意义。目前,连续体结构拓扑优化方法主要有:均匀化方法、变厚度法、变密度法、渐进结构优化方法、水平集法、独立连续映射方法。本文首先系统回顾了以上方法的发展历程,介绍了它们的研究现状。其次,通过对比以上拓扑优化方法对若干典型算例的优化结果,表明以上方法都有较好的减重效果。最后,对以上方法进行了总结,列出了它们的优缺点和发展方向。关键词:拓扑优化;均匀化方法;变厚度法;变密度法;渐进结构优化方法;水平集法;独立连续映射方法中图分类号:V 211.7 文献标识码:A A Survey of Topology Optimization of Continuum Stru cture Xia Tianx iang ,Yao Weix ing (K ey L abor ator y of F undamental Science fo r N atio nal Defense -adv anced Design T echno lo gy of F lig ht V ehicle,Nanjing U niver sity o f A eronautics and A st ronautics,N anjing 210016,China) Abstract:A s the to po log y optim izat ion o f continuum structure can pr oduce new config ur atio ns during the optim-i zatio n,it is significant for automatic str ucture design.A t present,the most commo nly used t opolo gy o ptimiza -t ion methods of continuum st ructur e ar e:the ho mog enization method,var iable t hickness method,v ariable dens-i t y metho d,evo lutio nar y str uctur al o pt imizatio n met ho d,lev el set metho d,independent co ntinuous mapping method.Firstly,the develo pment pro cesses of above metho ds ar e sy stematically review ed,their cur rent r e -sear ch is br iefly intro duced in this paper.T hen,these methods ar e com par ed and discussed t hr ough a number of typical ex amples.T he typical ex amples show that all of above methods have gr eat abilities to r educe w eig ht.F-i nally ,the adv ant ag es,disadv ant ag es and dev elo pment directio ns of abov e metho ds ar e discussed. Key words:to po lo gy o ptimization;homog enizat ion metho d;va riable thickness method;var iable density method;evolutionar y structure optimization metho d;lev el set method;independent continuo us mapping method 0 引言按照设计变量的不同,结构优化可分为以下三个层次:尺寸优化、形状优化和拓扑优化。结构拓扑优化能在给定的外载荷和边界条件下,通过改变结构拓扑使结构在满足约束的前提下性能达到最优。与尺寸优化、形状优化相比,结构拓扑优化的经济效果更为明显,在优化中能产生新的构型,是结构实现自动化智能设计所必不可少的。按照优化对象的性质,拓扑优化可分为离散体拓扑优化和连续体拓扑优化两种。连续体拓扑优化与离散体拓扑优化相比,在应用范围更广的同时,模型描述困难,设计变量多,计算量大。在过去很长一段时间里,连续体拓扑优化发展得十分缓慢,直到1988年Bendso e 等人[1] 提出均匀化方法之后,它才得到了迅速发展。目前,国内外学者对结构拓扑优化问题已经进行了大量研究[2-9]。目前最常用的连续体拓扑优化方法有均匀化方法、变厚度法、变密度法、渐进结构优化方法(ESO)、水平集法(Level set)、独立连续映射方法(ICM)等。从拓

复合材料夹层结构基本原理

复合材料夹层结构基本原理前言我国复合材料工业的发展起始于20世纪50年代，经过50余年的发展，由于“轻质高强”的优异性能，其应用领域已由最初的航空航天和国防业渗透到了当今国民经济的各个领域，如化工管罐，运动器材，汽车部件，建筑，船艇，轨道交通，风力发电叶片等等。随着复合材料应用领域的扩展，产品的尺寸不断变大，夹层结构的应用也越来越广泛。 1 复合材料夹层结构基本原理复合材料夹层结构由强度很高的面层和强度较低的轻质夹芯材料组成，在弯曲荷载下，上下面层承担主要的拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力。芯材的力学作用机理是连接面层使之成为整体构件，让薄而强的面层在承担较高拉压应力的同时不发生屈曲，并将剪切力从面层传向内层。以面层厚度相等的单夹层结构在弯曲载荷作用下的响应为例，来说明夹层结构的基本原理。 1.1 面层和芯材的拉、压应力分布在弯曲载荷作用下，假设面层和芯材的界面没有损坏，即在界面处的变形是连续的，且材料处于线弹性范围内，则夹层结构产生的拉压应变分布如图1所示。由于面层和芯材的弹性模量不同，所以其应力分布会发生突变，面层的拉、压应力远大于芯材的拉、压应力，如图2所示。图2 截面拉、压应力分布根据材料力学梁的弯曲理论，根据夹层结构的几何数据和各部分材料的弹性模量可以算出结构的等效刚度（EI）eq，则面层和芯材部位产生的拉、压应力如下：（1）

（2）式中，M：夹层结构承受的弯矩 y：离中性轴的距离 Ef：面层的弹性模量 Ec：夹芯材料的弹性模量 1.2 面层和芯材的剪应力分布根据材料力学梁的弯曲理论，夹层结构中的剪应力分布如图3所示。图3 剪应力分布图4简化后的剪应力分布在工程实践中，为便于计算，可以对其进行线性简化，如图4所示。那么剪应力可按下式进行简化计算：（3）（4）式中，Q：截面承受的剪力 b：夹层结构梁的宽度 c：芯材的高度 1.3 面层和芯材的匹配从上面的分析可以看到，面层承担了大部分的拉、压力，芯材承担了大部分的剪力。而面层的强度和刚度都远大于夹芯材料，对于夹层结构设计人员来说，如何能够使这两种力学性能大相径庭的材料完美的结合在一起，充分发挥各自的优点，即满足使用要求，又不浪费材料？在夹层结构受弯情况下，夹层结构主要是靠芯材的剪切来传递直接施加在面层上的力，在复合材料夹层结构中，FRP面层的模量和强度都很高，只有高剪切强度和大剪切断裂延伸率的芯材才适用，如常用的PVC、PET、SAN、PEI、PMI等泡沫芯材。要根据夹层结构在使用中可能的受力状况，选用适当种类和密度的芯材，合理设计面层和芯材的厚度，按照前面介绍的应力计算方法，或用相关的有限元分析软件，进行反复的计算验证，最终达到较优的设计方案。若选用剪切强度低，或是剪切断裂延伸率小的芯材，则芯材破坏时，面层可能只发挥了1%不到的强度，则会造成材料的浪费。

基于ANSYS的大型复合材料风力机叶片结构分析

国　防　科　技　大　学　学　报第32卷第2期 JOURNA L OF NA TIONA L UNIVERSITY OF DEFE NSE TECHNO LOGY V ol.32N o.22010文章编号:1001-2486(2010)02-0046-05 基于ANSYS的大型复合材料风力机叶片结构分析Ξ 周鹏展1,2,3,肖加余1,曾竟成1,王　进2,杨　军2 (1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙　410073; 2.株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲　412007; 3.长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙　410076) 摘　要:基于ANSY S软件,对某款应用于G L3A风场的1500kW大型复合材料风力机叶片进行了结构分析。分析结果表明:该叶片的振型以一阶挥舞和一阶摆振为主,其频率分别为0186H z和1159H z;在极限挥舞载荷作用下,该叶片有限元模型计算得到的叶尖挠度为81445m,而该叶片全尺寸静力试验得到的极限挥舞载荷作用下的叶尖挠度为8112m,计算值与试验值的误差只有318%;另外,该叶片的最大计算拉应力和压应力分别为228MPa和201MPa,而该叶片玻纤Π环氧复合材料实测拉伸强度和实测压缩失稳强度分别为720MPa和 380MPa,其计算最大应力只有对应实测极限强度的3117%和5219%。关键词:复合材料;风力机叶片;结构分析;极限挥舞载荷中图分类号:TK8 文献标识码:A Structural Analysis of Large2scale Composite Wind Turbine B lade B ased on ANSYS ZH OU Peng2zhan1,2,3,XI AO Jia2yu1,ZE NGJing2cheng1,W ANGJin2,Y ANGJun2 (1.C ollege of Aerospace and M aterial Engineering,National Univ.of Defense T echnology,Changsha410073,China; 2.Zhuzhou T imes New M aterial T echnology C o.Ltd.,Zhuzhou412007,China; 3.C ollege of Energy and P ower Engineering,Changsha Univ.of Science&T echnology,Changsha410076,China) Abstract:Based on the ANSY S s oftware,the structural analysis of a kind of1500kW large2scale com posite wind turbine blade which applied in G L3A wind farm was carried out.The analysis results show that the vibration m odes of this blade are mainly presented as first flapwise m ode and first edgewise m ode,the frequencies of the vibration are respectively0.86H z and1.59H z.At the action of ultimate flapwise loads,the FE M analysis results show that the blade tip deformation is8.445m,while the blade tip deformation of the full scale blade under static test is8.12m,s o the deviation between the calculated and tested value of the blade tip deformation is only 3.8%.M oreover,the calculated maximum tensile stress and the com pressive stress are228MPa and201MPa,while the tested tensile strength and com pressive buckling strength of the glass2fiberΠepoxy com posite are720MPa and380MPa,respectively.C onsequently,the percentages of the calculated maximum stress and the tested ultimate strength are respectively31.7%and52.9%. K ey w ords:com posite;wind turbine blade;structural analysis;ultimate flapwise load 风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一,随着世界风力发电机组向大功率方向发展,风力机叶片的长度越来越长,目前世界最长的复合材料风力机叶片是丹麦LM公司生产的,其长度已达6115m,单片重约18t,从而对叶片结构的强度、刚度、重量等的设计提出了更高的要求[1-3]。复合材料具有比强度高、比刚度高、重量轻、可设计性强、承力性能好等特点[4-5],因而在大型风力机叶片中获得了广泛应用。风力机叶片的结构分析作为风力机叶片结构设计的技术基础之一,开始在大功率风力机叶片结构的校核与优化设计中发挥着日益重要的作用。由于大型复合材料风力机叶片的外形结构和铺层结构都非常复杂,其外形由不同翼型构建而成,属Ξ收稿日期:2009-09-22 基金项目:国家863计划资助项目(2007AA03Z563);中国博士后科学基金资助项目(20070420832);湖南省科技资助项目(2008RS4033) 作者简介:周鹏展(1973—),男,博士后。