ANSYS復(fù)合材料仿真分析及其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用（本站推薦）

第一篇：ANSYS復(fù)合材料仿真分析及其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用（本站推薦）

ANSYS復(fù)合材料仿真分析及其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

作者：孟志華

復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組成。主要組分是增強材料和基體材料。復(fù)合材料不僅保持了增強材料和基體材料本身的優(yōu)點，而且通過各相組分性能的互補和關(guān)聯(lián)，獲得優(yōu)異的性能。復(fù)合材料具有比強度大、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性、以及材料性能可設(shè)計的特點，應(yīng)用于航空領(lǐng)域中，可以獲得顯著的減重效益，并改善結(jié)構(gòu)性能。

目前，復(fù)合材料技術(shù)已成為影響飛機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，逐漸應(yīng)用于飛機等結(jié)構(gòu)的主承力構(gòu)件中，西方先進戰(zhàn)斗機上復(fù)合材料使用量已達結(jié)構(gòu)總重量的25%以上。飛機結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料最常見的結(jié)構(gòu)形式有板殼、實體、夾層、桿梁等結(jié)構(gòu)。板殼結(jié)構(gòu)如機翼蒙皮，實體結(jié)構(gòu)如結(jié)構(gòu)連接件，夾層結(jié)構(gòu)如某些薄翼型和楔型結(jié)構(gòu)，桿梁結(jié)構(gòu)如梁、肋、壁板。此外，采用纏繞工藝制造的筒身結(jié)構(gòu)也可視為層合結(jié)構(gòu)的一種形式。

一.復(fù)合材料設(shè)計分析與有限元方法

復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的設(shè)計，就是對鋪層層數(shù)、鋪層厚度及鋪層角的設(shè)計。

采用傳統(tǒng)的等代設(shè)計（等剛度、等強度）、準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等設(shè)計方法，復(fù)合材料的優(yōu)異性能難以充分發(fā)揮。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析中，已經(jīng)廣泛采用有限元數(shù)值仿真分析，其基本原理在本質(zhì)上與各向同性材料相同，只是離散方法和本構(gòu)矩陣不同。復(fù)合材料有限元法中的離散化是雙重的，包括了對結(jié)構(gòu)的離散和每一鋪層的離散。這樣的離散可以使鋪層的力學(xué)性能、鋪層方向、鋪層形式直接體現(xiàn)在剛度矩陣中。有限元分析軟件，均把增強材料和基體復(fù)合在一起，討論結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)行為，因此可以忽略復(fù)合材料的多相性導(dǎo)致的微觀力學(xué)行為，以每一鋪層為分析單元。

二.ANSYS復(fù)合材料仿真技術(shù)及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用

復(fù)合材料具有各向異性、耦合效應(yīng)、層間剪切等特殊性質(zhì)，因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精確仿真，已成為現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)的迫切需求。

許多CAE程序都可以進行復(fù)合材料的分析，但是大多程序并沒有提供完備的功能，使復(fù)合材料的精確仿真難以完成。如有些程序不提供非線性分析能力，有些不提供層間剪切應(yīng)力的求解能力，有些不提供考慮材料失效破壞繼續(xù)計算能力等等。ANSYS作為一款著名的商業(yè)化大型通用有限元軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，為飛機結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)分析提供了完整精確的解決方案。

1.復(fù)合材料的有限元模型建立針對飛機結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料層合板、梁、實體以及加筋板等結(jié)構(gòu)類型，ANSYS提供一種特殊的復(fù)合材料單元———層單元，以模擬各種復(fù)合材料，鋪層數(shù)可達250層以上，并提供一系列技術(shù)模擬各種復(fù)雜層合結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料層單元支持非線性、振動特性、熱應(yīng)力、疲勞斷裂等各種結(jié)構(gòu)和熱的分析功能和算法。

2.復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)定義：

■鋪層結(jié)構(gòu)：ANSYS對于每一鋪層可先定義材料性質(zhì)、鋪層角、鋪層厚度，然后通過由下到上的順序逐層疊加組合為復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)；也可以通過直接輸入材料本構(gòu)矩陣來定義復(fù)合材料性質(zhì)。

■板殼和梁單元截面形狀：ANSYS利用截面形狀工具可定義矩形、I型、槽型等各種形式；還可以定義各種函數(shù)曲線以模擬變厚度截面。

3.特殊層合結(jié)構(gòu)的模擬：

·變厚度板殼鋪層切斷：將切斷的某鋪層厚度定義為零，即可模擬鋪層切斷前后的板殼實際形狀。

·不同鋪層板殼的節(jié)點協(xié)調(diào)：ANSYS板殼層單元的節(jié)點均可偏置到任意位置，使不同鋪層數(shù)板殼的節(jié)點在中面或頂面、底面對齊。

·蜂窩/泡沫夾層結(jié)構(gòu)：ANSYS通過板殼層單元來模擬夾層結(jié)構(gòu)的特性，夾層面板和芯子可以是不同材料。

·板－梁－實體組合結(jié)構(gòu)：ANSYS將實體、板殼與梁等不同類型單元通過MPC技術(shù)相聯(lián)系，各類單元的節(jié)點不需要重合并協(xié)調(diào)，便于飛機等復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的處理。

4.復(fù)合材料有限元模型的檢查：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型建立后，可以將板殼和梁單元顯示為實際形狀，還可以通過圖形顯示和列表直觀地觀察鋪層厚度、鋪層角度和鋪層組合形式，方便模型的檢查及校對。

5.復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)分析ANSYS層單元支持各種靜強度剛度、非線性、穩(wěn)定性、疲勞斷裂和振動特性等結(jié)構(gòu)分析。完成分析后，可以圖形顯示或輸出每個鋪層及層間的應(yīng)力和應(yīng)變等結(jié)果（雖然一個單元包含許多鋪層），根據(jù)這些結(jié)果可以判斷結(jié)構(gòu)是否失效破壞和滿足設(shè)計要求。

6.復(fù)合材料失效準(zhǔn)則ANSYS已經(jīng)預(yù)定義了三種復(fù)合材料破壞準(zhǔn)則來評價復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全性，包括最大應(yīng)變/應(yīng)力失效準(zhǔn)則，蔡－吳（Tsai-Wu）準(zhǔn)則。每種強度準(zhǔn)則均可定義與溫度相關(guān)，考慮不同溫度下的材料性能。另外，用戶也可自定義最多達六種的失效準(zhǔn)則，對特殊復(fù)合材料進行失效判斷。

7.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層間剪切應(yīng)力：復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的層間剪切應(yīng)力，幾乎完全依靠層間界面的樹脂基體承載，很容易導(dǎo)致層合結(jié)構(gòu)的分層破壞，是整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。通常的有限元分析依據(jù)經(jīng)典的層合板理論，各鋪層按平面應(yīng)力狀態(tài)計算，不考慮層間應(yīng)力，不夠精確。ANSYS可以利用各鋪層單元在厚度方向上的疊加來模擬層合結(jié)構(gòu)，彌補了經(jīng)典理論的不足，可以精確地求解層間應(yīng)力。

8.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析：復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的各向異性和鋪層方向的不對稱造成的耦合效應(yīng)，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)即使均勻升溫也會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。復(fù)合材料這一特性與普通均勻材料大為不同，因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析必須引起重視。

■ANSYS的結(jié)構(gòu)－熱耦合分析，可以對復(fù)合材料在熱環(huán)境下的熱膨脹應(yīng)力、結(jié)構(gòu)固化成形過程中100℃～200℃的溫差而引起的結(jié)構(gòu)固化變形和殘余應(yīng)力進行分析。

■ANSYS程序中的材料性質(zhì)、強度準(zhǔn)則均可以定義為隨溫度變化，以此來引入溫度變化對結(jié)構(gòu)物理性能的影響。

三.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)實例

1.工程背景：飛機的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，板加筋結(jié)構(gòu)形式最為常見，如壁板、隔框、翼盒等。通常，飛機的復(fù)合材料加筋板的厚度較薄，因此結(jié)構(gòu)分析不僅僅是判斷材料的失效破壞和層間剪切破壞，還應(yīng)該關(guān)注結(jié)構(gòu)是否屈曲失穩(wěn)而破壞。利用ANSYS對某復(fù)合材料加筋板的屈曲特性進行分析，并確定結(jié)構(gòu)的極限承載能力。結(jié)構(gòu)壁板和筋條的厚度很小，為典型的板－梁結(jié)構(gòu)，選用ANSYS復(fù)合材料板殼單元，同時將單元節(jié)點偏置以協(xié)調(diào)鋪層數(shù)的變化導(dǎo)致的板結(jié)構(gòu)錯層。

2.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)理論復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的屈曲分析可分為特征值屈曲和非線性屈曲。通常特征值屈曲所得出的結(jié)果偏大，不夠安全，實際工程中應(yīng)用較少。非線性屈曲分析可以考慮結(jié)構(gòu)大變形、結(jié)構(gòu)初始缺陷、復(fù)合材料失效等實際工況，從而獲得更為精確的屈曲臨界載荷。特別是結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)之前，部分復(fù)合材料有可能已經(jīng)失效破壞，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力將重新分布并且剛度有所減弱。因此考慮復(fù)合材料失效后，結(jié)構(gòu)屈曲荷載將有所降低并接近實際。

3.屈曲分析結(jié)果

首先進行特征值屈曲分析，屈曲臨界荷載為808.0KN。但是，在考慮結(jié)構(gòu)幾何大變形、應(yīng)力剛化等實際情況后，非線性屈曲的臨界荷載降低為770.1KN。再引入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效對非線性屈曲的影響，因為結(jié)構(gòu)部分失效導(dǎo)致應(yīng)力重分布和剛度減弱，屈曲臨界載荷更降低為656.2KN。計算結(jié)果與實驗結(jié)果只相差5%。

4.應(yīng)用小結(jié)

計算過程考慮了結(jié)構(gòu)非線性及材料失效對屈曲臨界荷載的影響，實際結(jié)果為656.2KN，與試驗結(jié)果相差僅5%，結(jié)果比較精確。而特征值屈曲分析和不考慮材料失效影響的非線性屈曲臨界載荷的計算，被證明是不夠保守的，難以為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)屈曲的設(shè)計提供準(zhǔn)確依據(jù)。

四.結(jié)論

飛機等航空結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仿真分析，越來越強調(diào)分析精度和貼近工程實際，如要求計算復(fù)合材料層間剪切效應(yīng)、固化成形后的殘余熱應(yīng)力、材料部分失效后的結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)等。ANSYS通過對復(fù)合材料的鋪層定義材料、鋪層角以及鋪層厚度，來組成“層單元”，以模擬各類航空復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)，可以精確地分析材料的失效破壞、層間剪切效應(yīng)。另外還可以滿足飛機結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的非線性屈曲失穩(wěn)、振動特性分析、以及結(jié)構(gòu)的熱效應(yīng)分析等更多仿真需求。

第二篇：交通仿真在交通影響分析中的應(yīng)用

交通仿真在交通影響分析中的應(yīng)用

學(xué)院：汽車與交通工程學(xué)院

專業(yè)：交通運輸092

姓名：胡美

學(xué)號： 09120205

5摘要：以TSIS軟件為仿真平臺、以中關(guān)村西區(qū)為研究對象，在對比分析國內(nèi)外交通特點的基礎(chǔ)上，利用TSIS對中關(guān)村西區(qū)交通改進方案進行了仿真實驗，驗證了利用交通仿真方法進行交通影響分析的可行性；并通過仿真環(huán)境的動畫演示功能，直接從交通流現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，提出了項目周邊路網(wǎng)的交通改進方案，獲得了較好的仿真效果。

關(guān)鍵詞：交通仿真；交通影響分析；交通改進方案交通仿真概述

道路交通系統(tǒng)仿真是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)工程和交通工程領(lǐng)域的基本理論和專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機為主要工具，利用系統(tǒng)仿真模型模擬道路交通系統(tǒng)的運行狀態(tài)，采用數(shù)字方式或圖形方式來描述動態(tài)交通系統(tǒng)，以便更好地把握和控制該系統(tǒng)的一門實用技術(shù)。交通仿真是研究復(fù)雜交通問題的重要工具，尤其是當(dāng)一個系統(tǒng)過于復(fù)雜，無法用簡單抽象的數(shù)學(xué)模型描述時，交通仿真的作用就更為突出。交通仿真可以清晰的輔助分析預(yù)測交通堵塞的地段和原因，對城市規(guī)劃、交通工程、和交通管理的有關(guān)方案進行比較和評價，在問題成為現(xiàn)實以前，盡量避免，或有所準(zhǔn)備。

目前進行交通影響分析(簡稱TIA)應(yīng)用城市綜合交通規(guī)劃模型分布、分配開發(fā)項目生成的交通量，大多借助于專業(yè)規(guī)劃軟件(如Trips、TransCAD、EMME／2和G—TIA 等)實現(xiàn)，規(guī)劃人員利用這些TIA軟件決定現(xiàn)狀和未來改善后的路網(wǎng)是否能夠滿足項目所誘發(fā)的交通需求．如何通過改進交通設(shè)施來優(yōu)化局部道路交通網(wǎng)絡(luò)的供需配置，弱化項目所產(chǎn)生的交通影響，充分發(fā)揮路網(wǎng)的整體功能與效益，已經(jīng)成為TIA的重要難題．利用交通仿真軟件可以較好地解決此類問題，交通仿真分析技術(shù)具有直觀、準(zhǔn)確、靈活的特點，是描述復(fù)

雜道路交通現(xiàn)象的一個有效手段．

利用規(guī)劃軟件進行TIA是對項目產(chǎn)生交通影響的定量分析，而利用交通仿真軟件進行TIA可以定性地描述項目所產(chǎn)生的交通影響，是對定量化分析的補充，可以通過仿真結(jié)果驗證利用交通規(guī)劃軟件進行分析的精度．此外，可以通過仿真環(huán)境的動畫演示功能，直接從交通流現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，并提出交通改進方案．利用交通仿真進行TIA的意義

傳統(tǒng)的描述交通流狀態(tài)的數(shù)學(xué)分析方法在描述系統(tǒng)的總體特性上有其特有的優(yōu)點，然而，數(shù)學(xué)分析模型因其理論基礎(chǔ)的局限性，在滿足一些微觀層次的交通分析需求時存在著較為明顯的缺陷．另外，由于交通系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，客觀上對交通分析工具的功能提出了更高的要求．與傳統(tǒng)的交通分析技術(shù)相比，交通仿真軟件在構(gòu)造特殊交叉口和描述特殊交通流物性方面具有明顯的先天優(yōu)勢．功能齊全的微觀交通仿真軟件，可以描述多種多樣的交通流．在解決特殊情況下的交通改進方面具有以下優(yōu)勢：

(1)交通仿真可以準(zhǔn)確描述多種特殊的道路、交通條件，避免了對實際交通狀況的不合理簡化．

(2)交通仿真可以針對單一影響因素進行仿真實驗，確定單一因素對交通流的影響，如信號配時或交通渠化，便于確定癥結(jié)所在．

(3)對于復(fù)雜的道路、交通環(huán)境，通過重復(fù)的動畫仿真，可以直接從交通流現(xiàn)象尋找影

響通流的主要癥結(jié)．

(4)通過仿真實驗分析，對比多個優(yōu)化方案，可以在建設(shè)項目實施之前尋找出最優(yōu)方案，避免了個人主觀經(jīng)驗的隨意性．

(5)借助于交通仿真技術(shù)，通過良好的用戶輸入輸出界面，軟件的運算結(jié)果可方便地與用戶交互，增強了軟件的實用性和方便性．仿真結(jié)果的動畫演示的直觀性使得即使是非專業(yè)人員也能很容易理解．

[1]交通仿真技術(shù)的優(yōu)勢，使其能更好地滿足以下應(yīng)用領(lǐng)域的交通分析需求．

(1)交通管理系統(tǒng)設(shè)計方案的評價分析；

(2)交通設(shè)施改進方案的評價分析；

(3)道路交通安全分析．

仿真技術(shù)以其高效、優(yōu)質(zhì)、低廉體現(xiàn)了它強大的生命力和潛在能力．國外早在2O世紀(jì)六七十年代就開始了交通仿真的理論基礎(chǔ)研究，在經(jīng)歷了4O余年的發(fā)展與完善，已進入了成熟期與應(yīng)用期．相比之下我國的交通仿真研究起步晚，基礎(chǔ)研究不完備．因此，應(yīng)用國外的交通仿真軟件對我國的交通情況進行仿真，解決實際問題，這對改進交通狀況具有很大的現(xiàn)實意義．國內(nèi)外交通特點的對比分析

選用TSIS作為仿真軟件對項目交通影響進行探討，之所以選擇TSIS，不僅因為它模型完備，功能強大，更重要的是它具有極度的開放性，幾乎所有的模型參數(shù)都可以由用戶自行設(shè)

[2]定，具有很好的二次開發(fā)平臺作用．由于TSIS是針對國外交通流特性建立的交通仿真軟件，所以在利用TSIS分析國內(nèi)的交通問題時，首先應(yīng)該分析國內(nèi)外交通特性的差異．通過實驗總結(jié)，將國內(nèi)外交通流特性的主要差別歸納如下：

(1)道路環(huán)境．

[3]國外道路設(shè)計規(guī)范和道路系統(tǒng)都相對完善，所以在交叉口處的道路條件比較一致；而

國內(nèi)由于道路系統(tǒng)發(fā)展相對較晚，道路設(shè)計規(guī)范不夠健全，造成交叉口處存在較多的特殊條件，如掉頭車道等．

(2)車輛狀況．

國外車輛的性能以及狀況都相對比較好，而北京的車型則相對比較復(fù)雜，國產(chǎn)車輛的加、減速性能在總體上較國外車輛存在一些差距．

(3)駕駛行為．

由于國外與北京的駕駛?cè)藛T在駕駛習(xí)慣以及個人素質(zhì)方面的差異，導(dǎo)致駕駛員的車輛跟馳和換車道行為都存在不同的特性．如在換車道行為中，國內(nèi)的強制性換車道現(xiàn)象多于國外．

(4)交通組成．

國內(nèi)的交通存在大量的人流和非機動車流，這與國外僅有少量的行人干擾存在本質(zhì)的差別．實例分析

以中關(guān)村西區(qū)交通影響分析為實例，驗證了TSIS對項目周邊交通流狀況的仿真精度，通

過對

比不同方案的仿真結(jié)果，提出了交通改進方案的優(yōu)化方案，獲得了較好的仿真效果，證明了仿真軟件用于TIA的可行性．

3．1 交通改進方案的優(yōu)化過程

針對中關(guān)村西區(qū)的具體特性和周邊交通狀況，利用交通規(guī)劃軟件對項目進行了深入的交通影響分析和評價后認(rèn)為，由于項目的開發(fā)規(guī)模較大，又是集綜合科技貿(mào)易、綜合辦公、商業(yè)及配套設(shè)施為體的綜合性大型建筑群，2010年項目全部投入使用后將增加周邊路網(wǎng)的交通壓力．為了減小項目所帶來的負(fù)面影響，緩解項目對周邊路網(wǎng)的交通壓力，對其周邊交通組織和交通設(shè)施提出了改進方案，下面應(yīng)用TSIS進行仿真，以優(yōu)化項目周邊交通改進方案．

交叉口是影響整個路網(wǎng)是否暢通的主要節(jié)點，因此交叉口對整個路網(wǎng)的暢通與否至關(guān)重要．應(yīng)用TSIS進行仿真，其在路網(wǎng)中分配的交通量主要受交叉口流量的轉(zhuǎn)向比例控制，在TSIS中有眾多的模型參數(shù)，根據(jù)以上分析，針對北京交通的主要特征以及與國外交通相比存在的主要差別，標(biāo)定了道路、車輛和駕駛行為方面的關(guān)鍵參數(shù)，并建立了相應(yīng)的仿真模型．

(1)道路參數(shù)：包括路段長度、車道數(shù)量、車道寬度及車道功能劃分、交叉口的位置等

[3]一般參數(shù)．值得一提的是，仿真實驗中，為了在北四環(huán)快速路上搭建蓋板，將其分為雙向平行的兩條路，具體的交通仿真實現(xiàn)情況如圖1所示．

(2)由于車輛性能差別標(biāo)定的模型參數(shù)包括啟動延誤時間、飽和流平均車頭時距等．

(3)與駕駛行為相關(guān)的模型主要是跟馳模型和換車道模型．跟馳行為的差異主要表現(xiàn)為期望速度的不同；駕駛員在交叉口引道中的換車道行為是影響交叉口是否暢通的主要因素．

基于以上與國外交通特性存在差別的關(guān)鍵參數(shù)，以及TSIS模型中的其它關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)用TSIS對提出的每個改進措施進行仿真，主要通過調(diào)整信號配時、進行路口渠化以及道路改線的仿真實驗，(4)交通組成：由于國外的交叉口很少有大量的人流和非機動車流干擾，同時計算機仿真很難精確描述人流和非機動車流的行為特征，所以這里令將TSIS模型中過街行人的干擾值設(shè)為最大，以表示大量人流和非機動車的影響．

實現(xiàn)逐步優(yōu)化交通改進方案．優(yōu)化交通改進方案動畫仿真過程如圖2和圖3所示．具體的改進方案如下：

(1)建議對海淀鎮(zhèn)中街向南打通，連接到北三環(huán)快速路(如圖3所示)，以減少項目開發(fā)后對北四環(huán)輔路和自頤路的交通壓力．

(2)在正對著項目規(guī)劃5號路的北四環(huán)輔路上設(shè)置定向匝道(如圖3所示)，使西區(qū)內(nèi)出來的車輛可以直接進入北四環(huán)主路，可以提高晚高峰的疏散速度，同時減少北四環(huán)輔路的流量．

(3)在正對著項目內(nèi)部規(guī)劃4號路的北四環(huán) 能，在演示周邊路網(wǎng)的運行過程中，發(fā)現(xiàn)交通流狀主路上加蓋板(如圖3所示)，以使北四環(huán)對面輔路上的機動車進入項目，可以減輕對自頤路的交通壓力．

(4)建議對海淀鎮(zhèn)北街向西打通(如圖3所示)，連接到萬泉河路，以減少項目開發(fā)后對蘇州街、海淀南路的交通壓力．

盡管利用交通規(guī)劃軟件的方法在改進交通設(shè)施中具有一定的普遍性和通用性，且簡單易行，但對于特殊問題往往顯得無能為力，如在中關(guān)村西區(qū)交通改進的實例分析中，調(diào)整主要路口的信號配時并進行路口渠化后，項目周邊路網(wǎng)交通流狀況都沒有得到明顯的改善．但通過TSIS的動畫顯示功能，在演示周邊路網(wǎng)的運行過程中，發(fā)現(xiàn)交通流狀況有明顯的提高．

3．2 交通改進方案與現(xiàn)有方案的對比

基于以上分析，通過動畫演示功能分析提出了優(yōu)化措施，與路網(wǎng)現(xiàn)有交通組織方案進行對比，對比結(jié)果如表1所示．由表1可以看出，項目周邊主要道路交通量及負(fù)荷度在改進后比改進前明顯有所下降．一小結(jié)

本文通過對中關(guān)村西區(qū)交通改進方案的仿真實驗，證明了TSIS可以比較精確地描述國內(nèi)路網(wǎng) 的實際交通流特性，并應(yīng)用仿真動畫演示功能，直觀地發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有交通組織方案存在的問題，提出了相應(yīng)的措施，實現(xiàn)了特殊情況下交通設(shè)施的改進．

同時也應(yīng)該看到，借用國外的交通仿真軟件分析我國的交通問題只是權(quán)宜之計．我國還存在許多特有的交通特性，比如大量的非機動車引起的交叉口內(nèi)的機非混行現(xiàn)象，大量的人流影響，強制性換車道行為的頻繁發(fā)生等，這些交通現(xiàn)象的差別可能正是導(dǎo)致我國交通流特性與國外交通流特性存在差異的本質(zhì)原因，因此，應(yīng)建立符合我國交通流特征的交通仿真模型，以解決我國的城市交通問題．

參考文獻

[1] 鄒智軍，楊東援．道路交通仿真研究綜述EJ]．交通運輸工程學(xué)報，2001，1(2)：88—91．

[2] CORSIM User’S Manual version1．04 [M ]．Washington，D．C．：FHW A，1998．4．

[3] 美國交通研究委員會專題報告209號．道路通行能力手冊[M]．任福田等譯．北京；中國建筑工業(yè)出版社，1985．

第三篇：整合分析在審計學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

龍源期刊網(wǎng) http://.cn

整合分析在審計學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

作者：強韶華

來源：《財會通訊》2006年第08期

摘要：整合(Meta)分析是一種嚴(yán)密、系統(tǒng)的分析方法，本文根據(jù)Meta分析在心理學(xué)、生態(tài)學(xué)、教育學(xué)、社會決策學(xué)等領(lǐng)域的研究成果，分析其理論方法。嘗試將Meta分析應(yīng)用在審計學(xué)領(lǐng)域，結(jié)合實際案例研究Meta分析在審計學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用步驟和方法，并根據(jù)案例結(jié)果探討其在審計學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景和存在的問題。

第四篇：金屬基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

材料表面與界面

題目：金屬基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

學(xué) 院：化學(xué)與化工專業(yè)及班級：無機121 年級： 2012級學(xué)生姓名：嚴(yán)紅梅學(xué) 號： 1208110439 教

師：

張

煜

2014

年月

日

金屬基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

嚴(yán)紅梅

（貴州大學(xué)

無機121班）

【摘要】：介紹了金屬基復(fù)合材料的構(gòu)成、分類，以及性能特點分析了鋁合金和鈦合金復(fù)合材料的性能。討論了金屬基復(fù)合材料在航天器結(jié)構(gòu)材料、熱管理系統(tǒng)、電子封裝、慣性器件、光學(xué)儀器和液體發(fā)動機中的典型應(yīng)用?！娟P(guān)鍵字】復(fù)合材料，金屬基，性能，應(yīng)用。

引言

金屬基復(fù)合材料（簡稱 MMC）是以金屬、合金或金屬間互化物為基體、用各類增強相進行增強的復(fù)合材料。它是復(fù)合材料的一個分支。近代科學(xué)高新技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是航空和航天應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對材料的要求越來越高。除了要求材料具有高強度、高模量、耐輻射、低熱脹、低密度、可加工性外，還對材料的韌性、耐磨、耐腐蝕及抗蠕變等理化性能提出種種特殊要求，這對單一的某種材料來說是很難都具備的。必須采用復(fù)合技術(shù)，把一些不同的材料復(fù)合起來，取其所長來滿足這些性能要求。金屬基復(fù)合材料就是在這樣的前提下產(chǎn)生的。這些年來 MMC得到了廣泛關(guān)注，并在航空和航天工程中取得了應(yīng)用的成果。據(jù)美國航天局預(yù)測：金屬基復(fù)合材料將成為本世紀(jì)空間戰(zhàn)、衛(wèi)星和空間飛行器的主要結(jié)構(gòu)材料[1]。正文

1金屬基復(fù)合材料的分類

MMC 通常按增強相形態(tài)分為連續(xù)纖維增強 MMC 和非連續(xù)增強（顆粒、晶須、短切纖維）MMC兩大類，最常用的增強纖維為碳纖維（Gr）、硼纖維、碳化硅（SiC）纖維、氧化鋁（Al2O3）纖維。晶須和顆粒增強體有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦（TiC）、氮化硅（Si3N4）等。MMC 也可以按金屬基體類型分類，分為鋁基、鎂基、銅基、鈦基、鈦鋁互化物基等 MMC。其中鋁基鎂基 MMC 使用溫度在 450℃以下、鈦基和鈦鋁互化物基 MMC 使用溫度 450～700℃，鎳基鈷基 MMC 可在 1200℃下使用。鋁基 MMC 是各國開發(fā)的重點，我國亦已列入相關(guān)計劃。連續(xù)纖維增強 MMC 中由于纖維是主要承力組元，而且這些纖維在高溫下強度很少下降，因此具有很高的比強度和比剛度，在單向增強情況下具有很強的各向異性。其中連續(xù)纖維增強鈦合金基復(fù)合材料，已成為競爭力很強的高溫結(jié)構(gòu)材料。由于制造工藝復(fù)雜，且有些長纖維（如硼纖維）價格十分昂貴，基體仍起到主要作用，其強度與基體相近，但剛度、耐磨性、高溫性能、熱物理性能明顯增強，制造工藝也相對簡單，技術(shù)難度較小，可以在現(xiàn)有冶金加工設(shè)

備基礎(chǔ)上工業(yè)化生產(chǎn)，成本較低。例如，非連續(xù)纖維增強的鋁基復(fù)合材料開發(fā)已比較普遍，但它的增強作用也主要是體現(xiàn)在重量的降低和剛度的提高。

2金屬基復(fù)合材料的性能特點

金屬基復(fù)合材料集高比模量、高比強度、優(yōu)良導(dǎo)熱和導(dǎo)電性、優(yōu)良尺寸穩(wěn)定性和耐高溫性能于一體，是近年來復(fù)合材料研究的熱點。其具體性能取決于所選金屬基體和增強材料的特性、含量和分布。

比強度和比模量

基體和增強相的直接增強和基體組織變化產(chǎn)生的間接增強，顯著地增強了材料的強度和剛性。在金屬基體中加入體積份數(shù) 30～50%增強材料后，材料強度和模量就會有顯著增大。和未增強金屬材料的性能比較

導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性

由于金屬基體在 MMC 中含量通常很高，體積份數(shù)一般為 50～70%，因此它仍舊保持金屬材料所具有的良好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。采用高導(dǎo)熱性增強材料（如超高模量碳纖維）增強后復(fù)合材料導(dǎo)熱率有時比純金屬還高，因此非常適合制作集成電路底板和封裝件，將電子部件的熱迅速散發(fā)出去。優(yōu)良的導(dǎo)電性能，使它具有其它類型復(fù)合材料缺乏的波導(dǎo)功能。

尺寸穩(wěn)定性

許多增強材料既具有很小的熱膨脹系數(shù)（甚至是負(fù)值熱膨脹系數(shù)），同時又具有很高的模量用這些材料增強的 MMC 可以使熱膨脹系數(shù)明顯下降，并且達到很高的模量，因此十分有利于航天部件在大幅度溫度交變環(huán)境中，保持良好的尺寸穩(wěn)定性，使部件實現(xiàn)高精度，高效率。

耐高溫性能

MMC 高溫性能通常優(yōu)于金屬材料，特別是在連續(xù)纖維增強時，由于纖維起主要承載作用，很多增強纖維在高溫下強度很少下降，因此許多 MMC 的高溫力學(xué)性能可保持到金屬熔點，這和普通金屬材料（如鋁合金、鈦合金）隨著溫度升高，強度迅速下降的特點形成鮮明對比。

可焊接性

MMC 可以采用傳統(tǒng)的電弧焊（如氣體保護焊）進行焊接，這是它和其它類復(fù)合材料加工性的顯著區(qū)別。其焊接性能和基體合金類似，主要區(qū)別在于其熔池具有很高的粘度，在焊接橫截面大的零件時，熔池的高粘度會阻礙零件焊透，因此必須開焊接坡口。MMC 的可焊性不僅可以用來連接結(jié)構(gòu)件，而且用來補焊和修復(fù)鑄件缺陷，使 MMC 具有更好的可加工性。

3在航天器上的應(yīng)用

由于金屬基復(fù)合材料強度、剛度、疲勞性能、熱性能等良好的性質(zhì)，在過去 30 年中已經(jīng)受到了航天應(yīng)用領(lǐng)域極大的關(guān)注。正如在參考文獻中描述的，航空航天工業(yè)需要減輕太空推進系統(tǒng)和航天結(jié)構(gòu)重量，金屬基復(fù)合材料可提供一些潛在的優(yōu)點來達到這個目的。此外，這種材料還經(jīng)常伴隨著良好的熱傳導(dǎo)性和低密度等特性，因此具有了高比強度和比剛度，低熱膨脹系數(shù)(CTE)等優(yōu)點，并且有可能根據(jù)特定應(yīng)用要求來設(shè)計其性能。由于這些吸引人的性質(zhì)，金屬基復(fù)合材料已經(jīng)被用在一些重要的航天應(yīng)用中，包括航天飛機軌道器的結(jié)構(gòu)管件、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的天線波導(dǎo)竿，通訊衛(wèi)星裝置中的熱管理。

結(jié)構(gòu)材料

MMC 用作航天器結(jié)構(gòu)材料，具有超過聚合物基復(fù)合材料的一系列性能優(yōu)點（耐高溫能力，老化性能、出氣量、抗輻射和抗原子氧、抗熱沖擊、導(dǎo)熱率、尺寸穩(wěn)定性、表面缺陷敏感性等）。從上世紀(jì) 80 年代以來的一系列應(yīng)用已經(jīng)充分展示了它的效益。然而由于成本原因，直到現(xiàn)在它的應(yīng)用仍限定在較小范圍內(nèi)。MMC 在航天中的最早應(yīng)用是美國航天飛機，它的軌道器中段機身主隔框、翼肋桁架、框架穩(wěn)定支柱、前起落架、制動拉桿支柱，共使用了 243 根 B/Al 復(fù)合材料管形支撐件，用體積含量 60%的單向硼纖維增強鋁制成，纖維方向平行于外加載荷方向，剛度好，比鋁合金減重 145kg，質(zhì)量比鋁合金輕 45%，效益十分顯著（見圖 11）。繼后前蘇聯(lián)開發(fā)的“暴風(fēng)雪”號航天飛機的衛(wèi)星支架，也采用了 B/Al 管材焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)，輪廓尺寸 3m×3m，可同時放置三顆衛(wèi)星。所用的硼纖維直徑1400μm，在鎢芯上用氣相沉積法制成，斷裂強度 3500MPa、彈性模量 400MPa。制成的復(fù)合材料桁架重 100kg，比鈦合金輕 50～60kg，在性能方面和美國大體相當(dāng)。

MMC 用作航天器天線、太陽電池陣桁架等結(jié)構(gòu)也取得了成功。美國的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的高增益天線桿結(jié)構(gòu)，需要非常高的軸向剛度和極低的熱膨脹系數(shù)，以保障反復(fù)出入太陽直射條件下保持尺寸穩(wěn)定性。它采用 P100 超高模量碳纖維（體積分?jǐn)?shù) 40%）增韌的鋁 6061 基 MMC，采用擴散粘結(jié)工藝制造。桿長 3.66m，桿全長的尺寸偏差僅±0.15mm，確保了太空機動飛行時天線的方位。另外它還由于具有良好的導(dǎo)電性能，從而提供了波導(dǎo)功能，保障了航天器和天線反射器之間的電信號傳輸，整個部件比碳/環(huán)氧材料輕 63%。為先進太陽電池陣展開機構(gòu)研制的非連續(xù)增強復(fù)合材料可折疊大梁、中空長螺桿、特形螺母、導(dǎo)向搖臂，是 MMC 在航天器中的一個重要應(yīng)用嘗試。4.2 熱管理系統(tǒng)和電子封裝

火箭和衛(wèi)星熱管理系統(tǒng)是 MMC 的另一項重要應(yīng)用，包括計算機芯片基片、大功率半導(dǎo)體設(shè)備和遠(yuǎn)程通信的微波元件封裝。這類應(yīng)用要求封裝材料熱導(dǎo)率在 4～7×10-6/K 范圍

內(nèi)，以保證和半導(dǎo)體材料及陶瓷基片的熱導(dǎo)率匹配。非連續(xù)增強 SiC（體積份數(shù)≥50%）/Al 基復(fù)合材料具有優(yōu)異的匹配性。已成為當(dāng)前最佳的熱管理材料。從 90 年代起已在一系列先進航天器上正式應(yīng)用。如美國“摩托羅拉”公司的“銥星”，“全球定位系統(tǒng)”（GPS）“火星探路者”和“卡西尼”深空探測器等，取代以前采用的高密度低導(dǎo)熱率 Cu/W 合金后，重量減輕約 80%，無論是軍事效率，還是經(jīng)濟效益和社會效益都十分可觀。MMC 本身不會漏氣，而且可用焊接的連接工藝確保連續(xù)處密封，這為制成密封艙體提供了先決條件，并在電源半導(dǎo)體封裝、微波模型上得到應(yīng)用。DSCS-III 軍事通信衛(wèi)星等，使用了超過 23kg 的鎳基復(fù)合材料用于微波封裝。已研發(fā)生產(chǎn)的石墨顆粒增韌的鋁復(fù)合材料，除了具有高的比導(dǎo)熱率外，熱膨脹系數(shù)明顯降低，且各向同性，將使不連續(xù)增韌鋁復(fù)合材料電子封裝在太空應(yīng)用中繼續(xù)得到發(fā)展。

液體火箭發(fā)動機

采用 MMC 對于減輕液體火箭發(fā)動機重量和降低成本都具有顯著作用，目前已受到各國重視。美國國防部和航空航天局聯(lián)合提出的一項為時 15 年的改進航天推進系統(tǒng)性能的（IHPRPT）中，提出要使液體發(fā)動機推重比提高 60%，成本降低 20%。采用 MMC 是其重要措施之一，已開展了一系列研制和演示試驗。重點是下列三類部件用的鋁基復(fù)合材料。第一類是在中溫下有很高剛度的部件，如法蘭盤、推力室、夾套、支承結(jié)構(gòu)，模量>220GPa，目前使用的是 Ni 基超級合金；第二類是較高溫度下工作（≯260℃）的部件，如渦輪轉(zhuǎn)和定子、外殼、高溫推進劑管線等。單級泵材料強度要求為 862MPa，目前為 Ni 基超級合金；第三類是低溫推進劑泵部件，包括泵體、葉輪、導(dǎo)流輪、導(dǎo)流片等，需要采用可以在-244℃下工作、強度范圍 675MPa，延伸率>6%，密度<4g/cm3，熱膨脹系數(shù)較低且可控的 MMC 材料代替目前的鍛造 Ti 合金。目前正在根據(jù)上述目標(biāo)開發(fā)各種鋁基復(fù)合材料，并采用近凈形加工方法。其關(guān)鍵技術(shù)在于控制顆粒體積份數(shù)和均勻分布。研究中的有顆粒和短纖維增強鋁基 MMC，前者強度已達到 620MPa 的較高水平。針對液氧泵和管線部件的相容性要求，正在研制銅基 MMC 材料，要求 260℃下強度達 413MPa，密度<7.5g/cm3。在某些發(fā)動機部件中還正在開發(fā)鎳基 MMC。【結(jié)論】

金屬基復(fù)合材料已在航天系統(tǒng)中使用，如航天飛機軌道器和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。雖了解各種金屬基復(fù)合材料的工藝/特性的關(guān)系中得到了一系列的進展，但金屬基復(fù)合材料工藝復(fù)雜，制造成本高，仍然沒有被航天業(yè)廣泛地接受。在發(fā)展新的航天系統(tǒng)中成本已經(jīng)成為不得不考慮的因素，因此在將來開發(fā)時，必須集中在價格適宜、質(zhì)量高的材料。另一方面，金屬基體

優(yōu)秀的任性和良好的耐空間環(huán)境性能是 MMC 具有優(yōu)異性能的基礎(chǔ)，加之它在很大程度上可以借鑒或沿用金屬材料和樹脂基復(fù)合材料工藝技術(shù)，這都決定了 MMC 在航天領(lǐng)域更加廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]趙渠森，先進復(fù)合材料手冊，機械工業(yè)出版社，2002 [2]周濤，包套鍛造快速凝固耐熱鋁合金的組織與性能，粉末冶金技術(shù)，2004 年，1 期： [3]李曉賓，金屬基復(fù)合材料的性能和應(yīng)用，熱加工工藝，2006，16 期：71~74 [4]李瑞祥，復(fù)合材料在太陽電池陣展開機構(gòu)上的應(yīng)用，宇航材料工藝，2001 年,5 期： [5]崔巖，碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料在航空航天應(yīng)用，材料工程，2002 年，6 期： [6]李晴昊，顆粒增強型金屬基復(fù)合材料的研究進展，空間科學(xué)技術(shù)，1997 年，7 期： [7]陳華輝,鄧海金,李明,林曉松.現(xiàn)代復(fù)合材料[M].北京:中國物資出版社,1998 [8]崔巖.碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的航空航天應(yīng)用[J].材料工程,2002,(6)[9]樊建中,姚忠凱.顆粒增強鋁基復(fù)合材料研究進展[J].材料導(dǎo)報.1996,11,(3)[10]張洪立,許奔容,周海麗.鋁基復(fù)合材料在慣性導(dǎo)航儀表中的應(yīng)用分析[J].宇航材料工藝,2001,(3)[9]我國航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展展望.航空制造工程.1卯 [12]張國定,趙昌正.金屬基復(fù)合材料.上海交通大學(xué)出版社.1996