民用飞机复合材料帽型加筋夹角研究

在民用飞机复合材料帽型加筋壁板初步设计时,帽型加筋的夹角影响壁板的初始屈曲载荷大小.本文通过工程算法可快速得到初始屈曲载荷随着帽型加筋夹角的变化趋势,确定最优夹角;分别通过有限元模拟和试验测试验证了工程算法得到的变化趋势和最优夹角的正确性;同时表明工程算法得到的初始屈曲载荷小于试验测试结果,说明工程算法偏保守,可为设计...     

航空复合材料短柱加筋板压缩性能试验研究

开展了航空复合材料短柱加筋板的轴向压缩试验。试验件的破坏形式主要包括壁板的撕裂、筋条的断裂和端部的压溃现象,试验过程中,壁板及筋条没有出现明显的脱粘现象。在试验加载初期,载荷-应变曲线呈线性一致的增加趋势,位移测量点的离面位移值基本保持在0 mm附近;当压缩载荷超过临界屈曲载荷时,载荷-应变曲线出现了明显的分岔现象,且离面位移值快速增加。复合材料短柱加筋板失稳后仍然具有后屈曲承载能力,但是该承载能力较小,当短柱加筋板发生失稳后,随着压缩载荷的增加,试验件会很快发生破坏。有限元仿真结果与试验结果较一致,仿真结果表明短柱加筋板主要发生了壁板的局部失稳。     

复合材料加筋壁板设计、分析与试验研究

由于复合材料加筋壁板结构具有整体成型性好、承载效率高、连接件数量少等诸多优势,所以在直升机/飞机的结构上获得了广泛的应用。本文主要针对典型纵向加筋壁板开展了设计、分析、工艺及试验研究,采用理论分析和试验研究相结合的方法,对两种典型加筋壁板的承载能力进行分析和验证。研究表明：在质量相同的情况下,T型加筋壁板比泡沫填充帽型加筋壁板有更高的承载能力。研究中开发应用了全新的复合材料非线性屈曲分析方法,为复合材料加筋壁板结构承载能力预测提供了一种新途径。研究成果为复合材料加筋壁板的设计提供了依据,为复合材料在未来中、重型直升机主承力结构上的应用储备了技术。     

复合材料机身加筋壁板选型研究

针对复合材料机身加筋壁板构型选择问题,通过初步选型、优化分析以及试验验证3种形式的结合研究,对复合材料机身加筋壁板提出了两点设计建议:(1)相同质量下,帽型长桁壁板的承载能力大于T型长桁的承载能力;(2)相同质量下,相同的帽型长桁加筋板,长桁间距200 mm的壁板承载能力大于长桁间距250 mm的壁板。     

基于试验设计的复合材料加筋壁板不确定性研究

随着航空结构系统的复杂化、多样化与大型化,结构高承载能力与轻量化的需求日益紧迫。复合材料加筋壁板因其比强度高、比模量高以及优异的承载性能,在飞机机翼上下壁板、机身曲板等部段得到了大量的应用。但复合材料易受加工精度影响,材料性能表现出极大的分散性,具有不可忽视的不确定性,即使参数发生微小波动,对结构的承载能力影响都是十分严重的。因此,对复合材料加筋壁板的设计必须考虑不确定性的影响。本文针对复合材料加筋壁板开展不确定性的研究,首先基于正交试验设计对不确定性参数进行显著性分析,然后利用少量、关键参数进行中心组合试验设计,从而构建显著参数与结构响应特性之间的响应面,通过蒙特卡洛模拟获得结构响应特性的分布特征,并与试验对比,确定分析流程的可行性。结果表明:对复合材料加筋壁板屈曲载荷有显著影响的参数主要有:壁板单层厚度、筋条腹板高度、筋条间距以及沿纤维方向弹性模量,在显著性参数服从正态分布下,屈曲特性也服从于正态分布。本文所采用的不确定性分析基本流程对有限元模型修正与复合材料加筋壁板设计具有指导意义。     

复合材料帽形加筋板极限承载能力

本文研究了复合材料长加筋板在轴向压力作用下的纵向极限承载能力推导出复合材料梁柱的极限承载能力公式。并考虑了加筋板的初始几何缺陷,载荷偏心,蒙皮屈曲后的有效蒙皮宽度对复合材料长帽形加筋板的极限承载能力的影响。     

基于薄板小挠度理论计算复合材料矩形薄壁管局部屈曲载荷

提出一种复合材料矩形薄壁管轴压局部屈曲载荷的计算方法。将轴压载荷作用下的复合材料矩形薄壁管的壁板视为单向受压各向异性板,在其平衡微分方程的解中引入弹性嵌固系数,得到了复合材料矩形薄壁管局部屈曲载荷的解析式。与文献中的试验数据和本文的有限元结果进行了对比,验证了计算模型的正确性。通过对4种铺层复合材料矩形薄壁管等效刚度系数进行定量计算分析了计算模型的适用范围。结合复合材料杆件欧拉屈曲载荷的计算公式,得出了综合考虑整体失稳和局部失稳的屈曲载荷的计算公式。研究发现在铺层参数不变时,存在区分发生局部屈曲和欧拉屈曲的临界长宽比。     

考虑稳定性的复合材料加筋板结构快速化铺层优化设计

利用铺层参数和工程常用铺层库对复合材料加筋板的铺层顺序进行优化,在不改变结构重量的情况下提高结构的初始屈曲载荷。考虑到在优化过程中需进行稳定性分析计算,而频繁调用有限元计算时间较长,因此选取屈曲载荷计算值与试验值和有限元结果相近的基于能量法的复合材料加筋板稳定性快速分析方法。优化过程以铺层参数为设计变量,利用MATLAB优化工具箱实现铺层参数的优化;然后将优化结果与工程常用铺层库中各铺层的铺层参数进行对比,用最小二乘法选取相近的铺层顺序进行匹配;最后利用能量法和有限元方法验证优化后的加筋板屈曲载荷是否提高。算例表明,上述优化方法运算时间短、优化效率高,优化后的加筋板屈曲载荷提高了17%以上。     

含损伤复合材料加筋板强度分析及修补研究

对含损伤复合材料加筋板进行了强度分析及修补研究。建立了复合材料层合加筋壁板的有限元分析模型,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及层板分层界面,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破坏过程。建立了筋条脱粘面积、层板分层面积与结构承载能力之间的关系,对不同损伤加筋板进行了修补研究,研究结果可为合理制定复合材料构件缺陷验收标准和结构修理容限提供分析依据。     

复合材料机身壁板帽型长桁结构效率研究

机身壁板重量约占机身结构重量的35%,复合材料机身壁板典型结构是采用帽型长桁的加筋板形式,在壁板受压缩载荷时主要由帽型长桁承受,因此帽型长桁承载结构效率决定了机身壁板结构效率,对飞机机身结构重量有较大影响。本文主要针对帽型长桁的截面高度和帽顶宽度参数变化对长桁压损和局部屈曲的结构效率影响进行了分析研究,以便在工程设计中合理确定相应参数,达到机身壁板结构较优的目的。     

含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃过程的数值模拟

建立了预测含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃响应的数值分析模型。该模型综合考虑了复合材料层合板的纤维失效、基体失效和纤维-基体剪切失效三种典型的面内损伤模式,并通过编写用户自定义材料子程序VUMAT实现面内失效类型的判断和相应材料性能的折减;在壁板和筋条连接界面应用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算层间裂纹前缘的应变能释放率,并结合B-K混合模式准则控制缺陷的起裂以模拟脱粘的扩展演化过程;采用显式动力学方法准静态分析结构在压缩载荷下的屈曲、后屈曲直至最终压溃的响应过程。数值分析结果与文献试验、数值结果吻合良好,验证了模型的合理性和有效性,并详细研究了复合材料脱粘加筋壁板的损伤演化过程和渐进压溃行为。     

铺层对T型复合材料壁板屈曲载荷的影响分析

本文以T型壁板类结构单元为研究对象,主要阐述了铺层及筋条几何形式对复合材料壁板屈曲载荷的影响。对T型壁板屈曲载荷有限元计算方法的适用性作了试验验证,计算分析了铺层比相同时铺层顺序、铺层比及筋条几何形式对临界屈曲载荷的影响。算例表明,铺层比和铺层顺序都会影响屈曲载荷。铺层比影响屈曲载荷,为主要因素,当0度铺层比较小时,45度铺层比显著增加屈曲载荷,当0度铺层比较大时,45度铺层比的改变对屈曲载荷的影响不大。铺层顺序影响屈曲载荷,为次要因素。筋条几何形式影响铺层方式,也制约着铺层比对屈曲载荷的影响。     

考虑厚度方向压缩影响的复合材料加筋壁板筋条-蒙皮界面失效表征方法

筋条-蒙皮界面失效对复合材料加筋壁板在后屈曲阶段的承载能力具有重大影响。研究表明,厚度方向的压缩会对复合材料加筋壁板的筋条-蒙皮界面性能产生影响。在前人研究的基础上,本文以数学方法推导出一种考虑厚度方向影响筋条-蒙皮界面失效表征方程。建立单元表征试验的有限元模型,利用虚拟试验确定了各项待定系数,给出了失效包面。该方法可用于指导单元表征试验的实施。     

含槽口复合材料Ω型加筋壁板渐进损伤分析

对含不同角度槽口的复合材料Ω型加筋壁板受轴向压缩载荷作用下承载强度和失效模式的研究具有重要意义。通过编写VUMAT子程序将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型分析中。首先研究0°槽口模型的位移-载荷曲线、面外位移及失效模式,并将结果与实验及已有文献进行对照,验证建立模型的正确性,进一步研究不同角度槽口对加筋壁板的影响。结果表明:具有90°槽口的加筋壁板模型在轴向压缩下的承载能力最强,45°槽口模型承载能力次之,0°槽口模型承载能力最弱。0°槽口模型纤维压缩失效出现在模型的下侧,45°和90°槽口模型均出现在槽口两侧,且三种模型失效均沿与载荷垂直方向扩展。     

复合材料帽型加筋板界面应力与失效模拟

基于内聚力模型,采用界面单元模拟筋条和蒙皮之间的粘接界面,建立了复合材料帽型加筋板结构的有限元模型,探究了复合材料帽型加筋板在四点弯曲载荷作用下的界面应力和脱粘失效问题。结果表明,胶层脱粘是复合材料帽型加筋板的主要失效形式,脱粘失效主要受剪应力的影响,脱粘导致加筋板承载能力下降,加剧了整体结构的损伤。     

含缺陷复合材料加筋壁板承载能力的数值预测

碳纤维复合材料加筋壁板是飞机结构的典型部件,成型过程中的制造缺陷对其极限承载能力和失效行为具有显著影响,是结构完整性评估的重要内容。通过数值手段开展了3点弯曲载荷作用下含缺陷复合材料加筋壁板的数值分析,重点考虑了缺陷尺寸和位置对结构承载能力的影响。首先基于Abaqus/Standard建立了加筋壁板的三维有限元模型,引入双线性内聚力模型用于描述复合材料加筋壁板的层间失效行为,然后结合文献相关实验数据验证了该模型的有效性,最后基于该有限元模型研究了缺陷尺寸和位置对结构承载能力的影响。结果表明:建立的有限元模型计算结果与文献实验结果吻合;结构的承载能力随着缺陷尺寸的增大而降低,且对蒙皮/桁条界面中部缺陷较为敏感;缺陷的存在导致结构的破坏模式发生转变,但起始裂纹始终发生在界面附近的基体区域。     

复合材料开孔平板剪切稳定性研究

本文对复合材料开孔平板试验件进行剪切载荷下的稳定性分析。对厚度为2mm,铺层为16层的开孔平板进行剪切稳定性试验。采用工程算法对复合材料平板的临界屈曲载荷与剪切屈曲应变进行计算，该方法考虑了铺层与边界条件的影响。通过有限元仿真软件建立剪切平板模型，计算模型的屈曲模态，并将模态作为初始缺陷引入模型，通过有限元弧长法计算复合材料平板模型的非线性屈曲载荷及屈曲应变。对于平板模型，工程算法得到的剪切屈曲载荷、屈曲应变与有限元模型计算的结果基本吻合。对于带孔平板模型，利用有限元弧长法仿真得到剪切载荷作用下的应力分布及非线性屈曲载荷，与试验结果对比较好。通过有限元结果与试验、工程算法结果对比，验证了有限元模型的可靠性。基于验证过的有限元模型进行了参数化研究，评估了不同开孔直径对复合材料平板剪切屈曲稳定性的影响。研究结果表明，开孔会导致结构剪切屈曲载荷显著下降，孔边比为0.3时，为临界屈曲载荷最优的结构模型。开孔直径越大，结构的剪切屈曲载荷越小，孔边应变逐渐增大。     

泡沫填充帽形加筋结构复合材料壁板成型工艺研究

针对某型机泡沫填充帽形加筋结构复合材料机翼壁板开展了成型工艺研究。结果表明,壁板所用复合材料的性能满足帽形加筋壁板二次胶接的工艺需求;在帽形加筋长桁与蒙皮进行二次胶接前对胶接部位采用400#砂纸进行打磨,可以保证胶接性能;采用室温加压工艺可以保证复合材料构件的内部质量和厚度精度要求;在帽形加筋壁板进行二次胶接固化时采用...     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击在线监测研究

将布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating,简称"FBG")埋植在复合材料加筋板结构三角填充区,在线监测复合材料加筋板冲击过程及压缩过程的应变信号。研究了冲击点位置、冲击能量对FBG传感器应变监测性能的影响,分析了FBG传感器对复合材料T型加筋板冲击及压缩过程监测的精确性。结果表明:在相同冲击能量条件下,随着冲击点位置与FBG传感器距离的增加,FBG传感器测得的复合材料T型加筋板应变值呈下降趋势;当复合材料T型加筋板出现较为明显的损伤时,FBG传感器未发生断裂失效。将FBG传感器埋植于加筋板的三角填充区内,在压缩过程中,FBG传感器反射波谱保持单个波峰且形状未发生变化,初步实现了对复合材料T型加筋板冲击及冲击后压缩过程应变信号的在线监测。     

复合材料加筋壁板装配应力对结构失效影响的试验与数值分析

复合材料层压板由于各向异性及沿厚度方向的不连续性的特点,在承受面外载荷作用下,会产生层间应力。层间应力值超过层压板层间开裂强度时,层压板会发生层间分层现象。为了研究装配应力对加筋壁板破坏行为的影响,本文进行了相应的试验和数值分析。首先对加筋壁板结构进行静力加载试验,得到了试验件的破坏载荷和破坏模式。其次通过螺栓加载至工况载荷并保载一定时间,实现了保载试验。最后利用有限元分析了结构的应力分布规律。结果显示,试验件在静力载荷的作用下会发生共胶接区脱粘破坏并伴随缘条分层破坏,在保载作用下长桁下缘条产生了微分层现象,数值分析获取的应力分布规律与试验结果吻合良好。研究结果可为复合材料壁板的装配作业规范和铺层方案设计验证提供参考。