复合材料翼面壁板剪切稳定性

基于长桁铺层数不同的两块复合材料翼面T型加筋壁板试件SS-1和SS-2开展剪切稳定性试验。试件SS-1和SS-2的L型层合板铺层分别为11层和14层,腹板铺层分别为22层和28层,缘条铺层分别为15层和18层。采用提出的工程方法进行壁板的剪切屈曲应变分析,方法中考虑了长桁尺寸和铺层数的影响,并应用有限元弧长法进行试件屈曲载荷、后屈曲承载能力及剪切屈曲模态分析。试验结果表明,屈曲发生之前试件蒙皮处于均匀纯剪切应变状态,后屈曲阶段试件发生了长桁-蒙皮脱粘破坏失效,长桁铺层数较多的试件SS-2具有更高的屈曲载荷和蒙皮局部屈曲应变。工程方法计算得到试件SS-1和SS-2的剪切屈曲应变相对于试验结果的误差分别为–14.9%和–9.2%。有限元弧长法分析得到试件SS-1的屈曲载荷和屈曲应变误差分别为1.9%和2.7%,且剪切屈曲模态与试验结果一致。弧长法对不同长桁铺层数的研究结果表明,长桁铺层较少时,壁板发生整体失稳的材料破坏,而长桁铺层数较多时,更容易发生长桁与蒙皮的脱粘失效。      

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。      

考虑脱粘的复合材料加筋板屈曲后屈曲及承载能力数值分析

建立了复合材料层合加筋壁板的屈曲后屈曲有限元分析模型。该模型采用界面单元以有效模拟筋条和壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads和Hashin失效准则作为失效判据, 引入材料刚度退化模型, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的前后屈曲平衡路径及破坏过程。数值分析结果与实验结果吻合良好, 证明了该方法的合理有效性。详细探讨了筋条尺寸及界面单元强度等参数对加筋壁板屈曲后屈曲行为及承载能力的影响规律, 研究表明增加筋条截面惯性矩及筋条密度在一定程度上能有效提高加筋板的屈曲载荷与极限强度, 筋条密度增加到一定程度会引起结构破坏形式由失稳破坏?湮顾跗苹? 界面强度与铺层方式对极限强度有重要影响, 界面脱粘是引起加筋板最终破坏的重要因素。      

多损伤复合材料加筋壁板高周疲劳特性及剩余压缩强度

为研究常用于飞机垂尾的复合材料加筋壁板的冲击疲劳特性,设计了该型加筋壁板多点冲击试验、高周疲劳试验及剩余压缩强度试验。讨论了不同冲击能量对筋条边缘冲击损伤的影响,及施加低应力水平的疲劳载荷后各冲击损伤区域的扩展情况,对比分析了疲劳对冲击后剩余压缩强度的影响。结果表明:40J能量冲击后的损伤面积和凹坑深度较大,C扫描损伤形貌很不规则。100万次低应力疲劳后主损伤区附近衍生出新损伤,导致压缩破坏时产生向上、下夹具扩展的裂痕。该型加筋壁板疲劳后破坏载荷保持率为95.6%,有较好的抗冲击疲劳能力,为加筋壁板耐久性及后屈曲设计提供了思路。     

压缩载荷下复合材料整体加筋板渐进损伤非线性数值分析

建立了考虑脱粘的复合材料整体加筋板渐进损伤有限元分析模型。该模型采用界面单元模拟筋条与壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads准则和Hashin准则作为失效判据, 基于ABAQUS软件, 建立了含连续损伤状态变量的材料刚度退化方案。基于该模型, 采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下复合材料整体加筋壁板在考虑初始几何缺陷时的破坏过程, 分析了结构相应失效模式的细观损伤机制; 详细讨论了轴向刚度比对结构承载能力及破坏模式的影响。结果表明: 考虑脱粘损伤的有限元模型能有效模拟加筋板的破坏过程; 在加筋板铺层设计合理的情况下, 增加筋条与壁板刚度比能有效提高加筋板截面单位面积的承载能力。      

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。      

基于层合参数的工字型加筋壁板稳定性设计

根据复合材料工字型加筋壁板的工艺铺设特点,建立了一种特殊的有限元模型,将工字型筋条按照凸缘顶板、[形腹板、凸缘底板、以及蒙皮四个层合板进行建模。针对工字型加筋壁板的铺层特征,本研究采用二级优化策略对工字型加筋壁板进行以静强度、刚度和稳定性为约束条件的轻量化设计,与一级优化(铺层厚度和弯曲刚度系数的调整)相比,二级优化采用改进的自适应遗传算法优化层合板的铺层顺序,优化设计结果可以直接用于工程应用,有限元模型和优化方法对复合材料工字型加筋壁板的设计具有指导意义。     

带口盖加筋复合材料壁板剪切性能

采用试验和有限元方法研究了带口盖加筋复合材料壁板的剪切性能。在带口盖加筋复合材料壁板有限元模型的基础上, 去掉口盖, 对不带口盖的大开口加筋复合材料壁板进行了有限元模拟分析, 以此研究口盖对带口盖加筋复合材料壁板的影响。试验和数值计算结果表明: 当达到屈曲载荷时, 带口盖加筋复合材料壁板各个区域同步发生屈曲, 最终破坏位置位于加强筋条以外的复合材料壁板区域; 去掉口盖后, 结构的刚度以及承载能力降低, 结构的应力集中点以及损伤起始位置均发生变化, 破坏时失稳形式无明显变化, 均为局部失稳。      

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。     

多轴向玻璃纤维增强树脂基复合材料的破坏特性和损伤机制

通过对玻纤增强环氧乙烯基酯树脂(GF/EVE)和玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂(GF/UP)复合材料的多轴向铺层设计试件进行低速冲击、弯曲和剪切破坏性力学试验,分析了不同铺层方式的GF/EVE和GF/UP复合材料冲击、弯曲和剪切载荷作用下产生的损伤及失效模式。结果表明:在铺层设计与工艺相同的情况下,CF/EVE的弯曲强度、冲击韧性均优于CF/UP;[0,90]6试件冲击能量吸收性能优于其他五种铺层方式;铺设角设计、树脂基体类型、铺层厚度对层合板剪切力学性能的影响较小。并基于SEM与超声C扫描成像检测(C-SAM)对复合材料的微观界面脱粘机制及损伤演化行为进行阐释。     

复合材料头盔壳体用超薄层合板冲击后的压缩性能

使用[0°/0°/0°]T、[45°/0°/45°]T两种铺层角度将碳纤维经面缎纹织物、碳纤维平纹织物预浸料、不同面密度芳纶纬编双轴向织物(MBWK)三种增强材料混杂铺层,制备出厚度为1.30 mm的复合材料头盔壳体用超薄层合板。测试分析了层板冲击后的压缩性能,用C扫描超声波检测仪测试了层合板冲击损伤图像,使用Image Pro Plus图像分析软件计算出不同冲击条件下的超薄层合板冲击损伤面积,研究了增强体结构类型、铺层角度对超薄复合材料层合板冲击后压缩性能的影响。结果表明,使用铺层角度为[45°/0°/45°]T的增强体结构可抑制层板沿纤维方向的冲击损伤裂纹的扩展,但是冲击点损伤破坏严重;纬编双轴向织物的面密度越大,则层板冲击后的凹坑深度越小。与其他铺层结构相比,当铺层角度为[0°/0°/0°]T时底层为碳纤维预浸料、中间层纬编双轴向织物面密度为630 g/m2、面层为碳纤维经面缎纹织物的复合材料超薄层板的冲击损伤面积与凹坑深度均最小,分别为225.28 mm2、0.16 mm,其剩余冲击后压缩强度达到最大值97.43 MPa,压缩强度保持率75.72%。这种结构,具有优异的冲击后压缩性能。     

基于等效模型的帽型复合材料加筋壁板优化设计

本工作提出了一种优化复合材料帽型加筋壁板稳定性的有效方法,该方法是基于在PATRAN软件中用单层板来模拟层合板的力学性能的想法。其中用层合板建的加筋板模型称为详细模型,改用单层板建的称为等效模型。对于航空结构中常见的帽型加筋壁板,本工作采用反映实际壁板形状的高精度有限元模型,分别建立了详细模型和等效模型。比较得出两种模型的一阶线性失稳因子和失稳应变基本一致,从而验证了将等效模型用于帽型加筋壁板结构稳定性分析的可行性。为了便于验证该优化方法的有效性,本工作只考虑加筋板的筋条厚度一致的情况。传统方法在优化蒙皮和筋条厚度时需要优化层合板的每个单层的铺层厚度和铺层顺序,本文提出的优化方法只需要解决单层板的厚度优化问题,相比本方法大大减少了设计变量。本工作用此方法优化得到了两个参数不同的复合材料帽型加筋板的最优屈曲性能,发现只需要2～4次迭代优化就可以收敛,收敛速度很快。     

低速冲击下复合材料层板压缩许用值

为评估航空结构中常用的T300级和T800级2种碳纤维/环氧树脂复合材料层压板的冲击后压缩许用值,对2种材料体系下具有不同厚度及铺层的层板进行了低速冲击和冲击后压缩试验;讨论了冲击能量、凹坑深度、损伤面积及冲击后剩余压缩强度等之间的关系,以及厚度、铺层、表面防护等因素对其造成的影响;重点关注了2种材料体系下各组层板的目视勉强可见冲击损伤(BVID)形成条件以及含BVID层板的剩余强度.结果表明:厚度及铺层对层板的凹坑深度-冲击能量关系影响较大,而对冲击后压缩强度-凹坑深度及冲击后压缩破坏应变-凹坑深度关系影响较小,且在相同铺层比例下,BVID对应的冲击能量随厚度近似呈线性增长.X850层板的损伤阻抗性能明显优于CCF300/5228层板的,但二者损伤容限性能相当.加铜网、涂漆等表面处理显著提高了层板的损伤阻抗,但对损伤容限性能影响不大;在损伤不超过BVID时,所有CCF300/5228试件的压缩破坏应变均大于4 000 με,而X850材料体系下压缩破坏应变均在3 000 με之上.     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅（FBG）传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。      

碳纤维复合材料假脚工艺参数对其冲击后疲劳性能的影响

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚的冲击及冲击后疲劳破坏过程进行分析,研究了不同的复合材料体系、几何尺寸、纤维铺设方式等工艺参数对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层;复合材料体系的横向和法向拉伸强度以及剪切强度等参数越小,假脚的冲击损伤面积越大,所能承受的疲劳循环次数越低;随着后龙骨厚度的增加,基体开裂损伤面积越来越大,分层损伤面积略有减小,而纤维压缩损伤几乎没有变化。尽管随着后龙骨厚度的增加,假脚的疲劳循环次数逐渐增大,但是相对于厚度的增加量,疲劳循环次数的增加量相对较小;不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚的冲击损伤模式几乎没有影响。适度增加0°铺层的含量,可有效提高碳纤维复合材料假脚的疲劳性能。     

复合材料加筋壁板冲击损伤特性及损伤容限研究进展

根据近年来复合材料层合板和加筋壁板的冲击损伤特性及损伤容限方面的研究文献,从试验研究和理论分析两方面综述了其研究进展。将含冲击损伤复合材料层板压缩强度分析方法分为五类:宏观唯象法、子层屈曲法、开口等效法、软化夹杂法、累积损伤法,并分析了各类方法的特点和存在的问题。最后对有待进一步研究的问题作了展望。     

不同粒子改性环氧树脂基碳纤维复合材料低速冲击及冲击后压缩性能

使用单层纳米氧化石墨烯(GO)、纳米SiO2、陶瓷粉对环氧树脂进行改性处理,采用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺分别制备了[±45/0/90]S、[908]T、[08]T三种铺层角度下的碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板.通过落锤冲击实验、超声C扫描检测、冲击后压缩实验等对不同粒子改性CFRP进行实验研究.结果表明:纳米粒子改性可以显著提升CFRP的抗冲击性能及冲击后压缩性能,与其他铺层角度相比,[±45/0/90]S铺层CFRP有效抑制了冲击裂纹的扩展,且单层纳米GO改性下的[±45/0/90]S铺层层合板最大冲击载荷及冲击后压缩强度分别达到3470 N、124.8 MPa,冲击损伤面积仅有580 mm2.与无粒子改性同种铺层层合板相比,最大冲击载荷及冲击后压缩强度相应提高了30％、47.3％,冲击损伤面积减小了15.5％.     

冲击载荷作用下机身壁板破坏效应及结构优化EI北大核心CSCD

研究非包容抗爆结构约束下,冲击波和端头两种冲击载荷对机身壁板的破坏效应。以定向非包容抗爆结构冲击位置处机身壁板为研究对象,通过有限元数值模拟,分析了在非包容抗爆结构约束下冲击波和端头两种载荷作用于不同位置时,机身壁板的破坏模式和程度,并以限制机身壁板破坏范围为目的,对冲击位置处机身壁板进行了结构优化。结果表明:在冲击波作用下机身壁板的主要破坏模式为蒙皮剪切冲塞、沿筋和垂直于筋撕裂以及筋条断裂,在端头作用下则为蒙皮沿筋和垂直于筋撕裂以及筋条断裂;冲击位置对端头载荷作用下机身壁板的破坏程度影响较冲击波明显;端头冲击筋条位置对机身壁板的整体破坏程度较小,为较优的冲击方案;垂直加筋对两种冲击模式下机身壁板的破口扩展均有明显约束效果,但对端头作用下的约束效果更佳,端头冲击筋间或筋条位置时,增加垂直加筋壁板损伤面积分别减小了56%和39%。研究结果可为民机用非包容抗爆容器结构设计及冲击位置处机身壁板结构设计提供指导。     

复合材料加筋壁板低速冲击响应与冲击能量关系

基于ABAQUS有限元软件,采用Hashin损伤准则建立了一种有效的复合材料加筋壁板低速冲击模型。分析了接触力、加筋壁板吸收能量和损伤散逸能对冲击响应的影响。结果表明:随着冲击能量的增大,接触力峰值前移,且冲击后板吸收能量与损伤散逸能的差值变大。落锤冲击实验表明,低速冲击能量下损伤程度与冲击能量正相关。对比了损伤区域的仿真结果和实验结果,发现二者拟合较好。     

层合复合材料壁板的热颤振特性分析

采用壁板颤振分析的有限元方法,从壁板的正则化弯曲刚度、屈曲临界温升、颤振临界速压和极限环颤振幅值等参数的角度,分析了不同铺层方向和不同铺层顺序对层合复合材料壁板的颤振特性的影响,并给出了几种常见铺层方式层合复合材料壁板的颤振特性。结果表明,在设计复合材料壁板的铺层方向和铺层顺序时,一般可以通过壁板正则化弯曲刚度的大小来对颤振速压进行比较。但是在某些特殊的铺层情况下,随着温度升高,发生频率重合型颤振的耦合模态会发生演变,这时正则化弯曲刚度较大的壁板也有可能在较低的速压下发生颤振。