复合材料翼面壁板轴压稳定性

基于T型长桁铺层数不同的两块复合材料翼面加筋壁板试件SC-1和SC-2,开展轴压稳定性试验研究,并提出一种预测屈曲载荷及最小后屈曲承载能力的工程分析方法,结合有限元特征值屈曲分析方法、有限元弧长法对试件的屈曲载荷、屈曲模态及后屈曲承载能力进行分析。试验结果表明,铺层数较多的试件SC-1的蒙皮局部屈曲应变较高,壁板也具有更高的屈曲载荷。在后屈曲阶段,SC-2加载到试验屈曲载荷的2.4倍未发生材料破坏和长桁蒙皮间脱粘损伤。工程分析方法和特征值屈曲分析能够准确预测壁板的屈曲载荷,最大误差分别为-9.3%和-2.8%,工程分析得到SC-2的最小后屈曲承载能力为试验屈曲载荷的2.09倍。有限元弧长法分析得到两件试件的屈曲载荷误差均小于1%,并具有壁板轴压屈曲模态预测和变形跟踪能力。      

民机复合材料帽型长桁压缩承载力分析与试验

为了验证民机复合材料帽型长桁压缩承载力分析方法的合理性,设计了某碳纤维复合材料单向带预浸料和织物预浸料混合铺层组成的帽型长桁结构试验件并对其进行了压缩承载力试验。试验结果表明,随着载荷的增加,长桁帽底蒙皮和帽腰、帽脚发生局部屈曲,进而使长桁发生压损破坏。分别利用工程计算方法和有限元分析方法计算长桁的初始屈曲载荷和压损强度。工程分析方法得到的计算结果小于试验结果,保守量分别为37.5%和27.6%;有限元分析得到的初始屈曲载荷和压损强度与试验结果均较接近,误差分别为1.4%和2.3%;对比分析表明,复合材料帽型长桁压缩承载力的工程分析方法较为保守,可保证结构设计的安全性。     

复合材料“T”形长桁压缩性能研究

压缩性能是飞机中央翼用“T”长桁上壁板的重要指标。为验证有限元分析方法模拟“T”形长桁压缩破坏过程的合理性,本文选取单根“T”形长桁作为试验件,并根据铺层和尺寸的不同将试验件分为4种。运用工程算法计算了长桁的局部屈曲载荷、压损载荷；用有限元算法计算了长桁的屈曲载荷、压损载荷；通过试验获得长桁的局部屈曲载荷、屈曲载荷和压损载荷。比较分析上述3种方式得到的结果,可以发现:工程计算结果与试验结果误差偏大,误差达到8%~50%,且全部偏于保守；有限元计算结果与试验结果较接近,误差在10%以内；利用有限元模拟试验件的压缩破坏过程得到的载荷-位移曲线与试验结果比较一致。研究结果表明,有限元计算分析方法可实际工程应用,为设计人员提供设计依据。     

复合材料机身曲板环向弯曲加载试验及失效机制

对复合材料机身曲板进行了环向弯曲加载试验,采用四点弯加载方式对考核段进行纯弯加载,设计一种加强连接方式避免加载段提前破坏,通过试验对机身曲板的环向稳定性和破坏模式进行了分析。同时,建立了基于内聚力单元的考虑长桁与蒙皮粘接界面损伤的有限元模型,分别使用Quads准则和Hashin准则作为界面和层合板的失效判据分析曲板结构的失效机制,计算结果与试验结果吻合较好。试验及有限元分析结果表明,长桁帽底蒙皮的局部屈曲引起长桁与蒙皮粘接的R区出现初始开裂,并最终扩展为长桁脱粘。随着蒙皮屈曲及长桁脱粘的扩大,蒙皮由局部屈曲变为整体失稳而失去承载能力,最终导致隔框承载过大而发生断裂。根据初始损伤模式,采取了长桁帽内全包工艺改进设计,改进后的曲板结构稳定性和承载能力分别提高了21.9%和16.8%。      

考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化

提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法,系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式,考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响,引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库,以铺层参数为中间变量,利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法,构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现,将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法,本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明,采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法,在结构重量不变的前提下,屈曲载荷提高约17%,且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。      

受冲击损伤复合材料加筋壁板的抗剪切承载能力

对两种不同铺层参数的复合材料加筋壁板结构进行了冲击损伤预制及剪切承载能力试验。讨论了冲击强度、铺层参数对加筋壁板剪切承载能力的影响。结果表明,随着冲击强度的增大,加筋壁板剪切承载能力逐渐减小,不同铺层参数的试样T2和P1在相同能量的冲击下,损伤面积虽然大致相同,试件P1比T2的破坏载荷高出19.1%。     

长桁-翼肋连接对复合材料单加筋板压缩性能的影响

采用试验和有限元方法研究了复合材料含翼肋单加筋板试验件的压缩性能,试验件包括带有长桁-翼肋连接和不含长桁-翼肋连接2种类型。试验和数值计算研究结果表明:与不含长桁-翼肋连接的试验件相比,带有长桁-翼肋连接的试验件具有较高的刚度和较高的临界屈曲失稳载荷,在后屈曲承载过程中具有较小的形变和较小的最终破坏载荷。试验件的最终破坏模式总是长桁与蒙皮间的界面脱粘,这表明长桁-翼肋连接对加筋板试验件的最终破坏模式无影响。在复合材料翼面结构设计中,需要综合考虑长桁-翼肋连接对加筋板初始临界失稳载荷、后屈曲变形和结构承载能力等方面的影响。     

变刚度复合材料平板与开孔板屈曲性能试验验证与数值仿真

为验证基于丝束曲线铺放的变刚度设计在改善典型航空结构屈曲性能中的应用潜力,设计并制造了变刚度复合材料平板和开孔板试件。通过应变片和非接触式三维光学测量系统,全面地测量了试件受单轴压缩载荷过程中的面外位移和载荷方向应变。试验结果表明：变刚度平板和开孔板较同构型直线铺层试件屈曲载荷分别提升53.4%和46.6%;试件力学响应相似,均为线性加载至屈曲载荷后刚度大幅折减,变刚度试件后屈曲阶段呈近似线性,而直线铺层试件则连续变化。根据试验方案细化了数值模型,屈曲载荷、面外位移及应变的计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上,提取了数值模型中的刚度分布和加载截面载荷分布,阐明了变刚度设计的抗屈曲机制。对于本文试件,采用变刚度设计还可显著提高破坏载荷,并降低侧边载荷,缓解应力集中。     

数字图像相关技术在复合材料加筋曲板压缩试验中的应用

对复合材料自动铺丝和手工铺丝两种T型加筋曲板进行了单轴压缩试验，采用基于数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)的三维光学测量方法对该型加筋曲板的局部屈曲及后屈曲波形进行实时监测，并与传统应变、位移测量结果进行了对比分析。试验结果表明:DIC能够准确捕捉整个试验过程中的位移场，使用DIC设备观测到的屈曲模态与应变片数据反映的波形具有良好的一致性；不同于传统测量方法，DIC能够准确捕捉蒙皮在后屈曲阶段的屈曲模态转换的全过程；利用DIC技术能够对试验不同时间节点(即不同载荷水平)的屈曲模态进行清晰、直观的观测，因而能够较准确地获得结构的屈曲载荷，该载荷与由应变-载荷曲线确定的屈曲载荷相比，误差小于5%。采用ABAQUS有限元软件对试验过程进行了数值仿真分析，并通过与试验结果的对比表明了计算结果、DIC测量结果与传统方法测量结果三者具有良好的一致性。      

Natural modal and stability of integrated composite wing box fabricated by RTM process

采用基于水溶性型芯的RTM成型技术制备了整体化的复合材料翼盒,并对翼盒进行了自由振动模态试验;采用三维壳单元,建立了翼盒固有模态及稳定性有限元分析模型,该模型分析的翼盒固有模态与试验结果吻合很好,验证了有限元模型的有效性;为研究翼盒固有模态及稳定性的铺层效应,采用该模型分析计算了4种铺层方案的翼盒的固有模态及稳定性。研究结果表明：对称铺层蒙皮有利于提高翼盒轴向压缩与轴向扭转屈曲载荷及固有频率,而不利于面外弯曲和弯扭组合情况;腹板减薄和增加腹板45°铺层均不利于提高,甚至会大幅度降低屈曲载荷及固有频率,弯扭组合加载最容易导致失稳。     

Influence of post-buckling behaviour of composite stiffened panels on the damage criticality

In stiffened panels with defects, such as skin delaminations or stringer debonding, buckling may occur prior to the designed critical buckling load. Depending on the damage parameters, such defects may also affect the post-buckling behaviour and consequently the structural performance. An automated finite element (FE) modelling tool has been developed to predict the post-buckling behaviour of panels. It was coupled with a linear elastic fracture mechanics approach to determine damage criticality, based on the “no-growth” principle. The structural behaviour in the post-buckling range and its interaction with the damage parameters were analysed. Local buckling occurred as a result of localised stiffness reduction in the damage region. Global buckling occurred when sufficient in-plane strain was reached. The onset of local buckling was an important factor on stringer debonding criticality as the local buckling mode had an effect on the corresponding global buckling. In comparison, the onset of local buckling for the skin delamination was lower due to the thin sub-laminate separation. However, it was less influential on the damage criticality because the local buckling slowly dissipated in the far post-buckling range. It was found that the initiation of local buckling, and the interaction between the local and global buckling mode, would determine the damage criticality.     

翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响

为确定翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响,对施加翼肋支撑前后的复合材料工型加筋板和帽型加筋板进行压缩试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过应变计和影像云纹法实时监测试验件的失稳载荷及失稳模态,通过断面观测分析结构损伤破坏机制。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟加筋板屈曲及后屈曲过程,通过失稳节线及反节线上的应力分布变化分析加筋板破坏机制。计算结果与试验结果相吻合,表明翼肋支撑对不同筋条加筋板失稳模态有影响但均不改变结构失稳载荷,位于节线上的翼肋支撑对工型加筋板破坏载荷影响较小,但位于反节线上的翼肋支撑使帽型加筋板的承载能力提高了26.2%。试验件失稳后应力向反节线上筋条蒙皮界面集中,过高的应力导致界面脱粘,使得结构集中在反节线上破坏。      

复合材料帽型加筋壁板的失效机制分析与改进设计

为了准确预测复合材料帽型加筋壁板的后屈曲承载能力,针对压缩载荷下筋条端头斜削的复合材料帽型加筋壁板结构的失效机制及失效载荷进行了研究。首先利用物理试验,研究了端头斜削的复合材料帽型加筋壁板失效过程,然后构建了考虑蒙皮/缘条胶接界面以及复合材料层板失效的非线性损伤分析模型,详细地研究了损伤起始、扩展和失效的全过程。在此基础上,提出了包覆层对蒙皮/缘条界面进行增强的设计方案,并基于数值仿真和试验研究了包覆层对复合材料帽型壁板的破坏模式和承载能力的影响。数值分析和试验结果表明,包覆层设计能够明显提高结构的屈曲载荷和后屈曲承载能力,分析结果与试验值吻合良好,且预测的破坏模式也与试验结果一致。     

剪切载荷下含椭圆形大开口层合板的试验研究

在面内纯剪切载荷作用下, 采用试验与有限元模拟方法研究了结构中心设置椭圆形大开口的正方形复合材料层合板的应力/应变集中现象及屈曲、 后屈曲行为, 通过测试结果对试验件失效模式进行了评估。研究结果表明: 层合板开口附近应力/应变集中程度很高; 大尺寸开口使结构稳定性显著降低, 且开口层合板具有较好的后屈曲承载能力; 由于弯曲产生高水平的层间应力, 导致局部分层损伤并伴有基纤剪切破坏; 随着横向挠度的增加, 各应力集中区域的纤维发生拉伸断裂, 导致整体结构瞬间发生脆性失效。有限元模拟结果与试验结果符合较好。     

POST-BUCKLING ANALYSIS WITH FRICTIONAL CONTACTS COMBINING COMPLEMENTARITY RELATIONS AND AN ARC-LENGTH METHOD

A linear complementarity problem formulation combined with an arc-length method is presented for post-buckling analysis of geometrically non-linear structures with frictional contact constraints. The arc-length method with updated normal plane constraint is used to trace the equilibrium paths of the structures after limit points. Under the proportional loading assumption, the unknown load scale parameter used in the arc-length method is expressed in terms of contact forces, and eliminated to formulate as a linear complementarity problem. The unknown contact variables such as contact status and contact forces can be directly solved in this formulation without any ad hoc technique. Complicated non-linear buckling behaviours, such as snap-buckling, can be efficiently solved by the developed method, as shown by several buckling and post-buckling problems with frictional contact constraints.     

Sandwich panels with Kagome lattice cores reinforced by carbon fibers

Stretching dominated Kagome lattices reinforced by carbon fibers were designed and manufactured. The sandwich panels were assembled with bonded laminate skins. The mechanical behaviors of the sandwich panels were tested by out-of-plane compression, in-plane compression and three-point bending. Different failure modes of the sandwich structures were revealed. The experimental results showed that the carbon fiber reinforced lattice grids are much stiffer and stronger than foams and honeycombs. It was found that buckling and debonding dominate the mechanical behavior of the sandwich structures, and that more complaint skin sheets might further improve the overall mechanical performance of the sandwich panels.     

侧边边界条件对复合材料加筋板轴压载荷下屈曲和后屈曲性能的影响

为研究侧边边界条件对复合材料加筋板压缩稳定性能的影响,首先采用有限元软件对压缩载荷作用下的复合材料加筋板进行建模数值计算,得到加筋板在侧边简支和自由2种边界条件下的屈曲载荷和形式,然后采用工程计算方法对加筋板轴压承载能力进行了估算,参考计算结果,分别对侧边有支持和侧边自由2组加筋板进行轴向压缩试验,分析侧边边界条件对试验件的屈曲形式、屈曲载荷以及后屈曲破坏过程的影响。试验结果表明：侧边支持条件会影响加筋板的屈曲形式和破坏形式。对于侧边有支持的试验件,屈曲后整体变形较小,筋条的压缩断裂是主要的破坏形式;而侧边自由的试验件屈曲后会逐渐出现整体弯曲变形,变形引起的筋条脱粘和弯曲断裂则是主要的破坏形式,且筋条脱粘会显著降低结构的承载能力。有限元计算结果与试验结果较吻合,验证了有限元模型的合理性。采用工程计算方法对侧边有支持的加筋板承载能力进行估算具有较好的精度。