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。     

T型复合材料长桁承载能力设计研究

应用商业有限元软件ABAQUS中的内聚单元,对复合材料T型长桁的缘条／蒙皮界面失效进行了分析,计算结果与试验数据吻合良好。基于有限元结果,提取了缘条／蒙皮界面内力,研究结构的失效机理。以缘条和蒙皮厚度为参数进行参数化建模,研究缘条／蒙皮刚度比对界面失效乃至承载能力的影响。最后对缘条／蒙皮刚度比提出了设计建议。     

多轴向复合材料加筋壁板的定位及成型

针对复合材料多轴向加筋壁板提出了一种框架式的模具定位结构。在蒙皮成型模具上设置一个定位框架,从框架的梁上定位筋条成型模具。模具结构简单、操作方便并且采用特殊的真空袋封装方式可以成型出筋条尺寸精度高、位置精确的复合材料加筋壁板。     

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。     

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。     

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。     

共胶接T型加筋壁板模具设计及成型工艺研究

本文选取T型加筋壁板作为典型结构件,研究了热压罐共胶接工艺中成型模具的设计和模具对成型质量的影响。首先针对T型筋条的结构和成型特点,设计了两种模具方案,研究了硬模(金属模具)/硬模、硬模/软模(橡胶模具)两种模具配合方式对筋条成型质量的影响,并进一步研究了筋条、蒙皮的固化顺序对T型加筋壁板共胶接质量的影响。结果表明,T型筋条成型中拐角区的传压及受压均匀性是模具设计中考虑的要点;与硬模/硬模配合方式相比,硬模/软模配合方式可以提高筋条拐角区的受压和密实均匀性,不容易出现因受压不均而在拐角区和填充区产生的纤维褶皱及孔隙缺陷,但是筋条尺寸精度低于硬模/硬模的情况;采用有限元法模拟分析了硬模、软模内部压力分布,发现模拟结果与实验结果基本一致;已固化筋条与未固化蒙皮胶接时,胶接区蒙皮的厚度均匀性不易保证,采用未固化筋条与已固化蒙皮共胶接的方式更容易保证胶接区的质量。本文研究结果对壁板类结构整体化工艺成型质量的控制具有指导意义。     

复合材料加筋壁板优化设计

对于复合材料加筋壁板稳定性优化问题,由于涉及多个设计变量:筋条数目、筋条间距、筋条高度、筋条的铺层参数、面板的铺层参数等,本文采用具有多参数级联编码方式的遗传算法时基于稳定性设计要求的加筋壁板进行了优化.对复合材料T型加筋壁板结构重量优化的算例,验证了本文所用方法的有效性.     

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...     

双曲率复合材料帽型加筋壁板自动化制造技术研究

具有大开口窗框、帽型长桁双扭曲爬坡结构特征的双曲率复合材料帽型加筋壁板是中后机身段曲率变化最大的部位。通过试验件制造开展了原材料智能仓储物流系统、自动铺丝和铺丝轨迹规划、自动铺带和热隔膜自动化成型帽型筋条、筋条定位、柔夹数控加工工艺性研究,文章验证了双曲率复合材料帽型加筋壁板的自动化制造技术的可行性。研究表明,双曲率复合材料帽型加筋壁板自动化制造技术能满足材料工艺要求和验收技术条件要求。     

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。     

飞机中央翼上壁板斜切单接头复合材料长桁端头压缩性能研究

为研究飞机中央翼上壁板斜切单接头复合材料长桁端头的压缩性能,制作了中央翼斜切单接头长桁端头试验件,通过对试验件进行轴向压缩测试,建立了中央翼上壁板斜切单接头复合材料长桁端头区域的有限元模型,进行了试验前有限元分析计算,通过试验测得了整个试验件的载荷-应变曲线。试验结果表明,试验件发生非线性变形,然后随着载荷的增加,连接肋缘条、蒙皮、长桁的螺栓被剪断,紧固件连接失效,试验件被破坏。长桁蒙皮区域最大的应变出现在肋缘条和蒙皮连接的第一排钉附近,同时试验测得破坏载荷与有限元计算的结果总体一致,证明了有限元模型的合理性。     

复合材料帽型加筋壁板结构VARI工艺模拟与制造技术研究

采用PAM-RTM软件,对帽型加筋壁板结构进行了树脂流道仿真与设计。过程中,分别对注射口和溢料口在蒙皮、筋条等典型区域的分布位置和数量,树脂重力及注射溢料开关顺序对壁板树脂渗透效果及注射时间的影响进行了分析对比。仿真结果表明:采用蒙皮边缘两端注射帽顶溢料、从零件边缘向中央区域依次关闭溢料口的流道设计,零件出现缺陷的概率最小。以此仿真结果为参考,开展了帽型筋条壁板VARI工装设计与制造,最终通过零件成型及质量检测验证了仿真分析结果的有效性。     

记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

内聚力单元可以同时预测分层的起始和扩展,但单元尺寸对计算结果影响较大,而且无法模拟压应力导致的界面失效。首先,建立不同内聚力单元计算厚度的双悬臂梁模型、端边加载模型和冲击动力学模型,模拟分层损伤演化过程,研究内聚力单元厚度对载荷-位移曲线和界面损伤面积的影响;然后,通过子程序自定义内聚力单元的本构关系,考虑压缩应力引起的复合材料层间界面失效;最后,分析考虑压应力引起的界面层失效对复合材料冲击响应的影响。计算结果表明:内聚力单元厚度对界面层的损伤面积影响明显;相同的载荷条件下,内聚力单元厚度越大,界面损伤面积越小;考虑压缩应力引起的界面层失效,界面损伤面积较大且界面失效包含压缩和剪切两种失效模式。     

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。     

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。     

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“J”型加筋壁板成型工艺研究

介绍了一种复合材料加筋壁板的制造方法。从工艺制造及模具设计2方面论述了如何解决复合材料加筋壁板成型工艺中存在无损、外形控制、变形和脱模困难等问题。实验结果表明,通过对工装芯模增加拔模角度,可解决复合材料零件回弹变形难题;采用金属模具和复合材料模具相结合的方式,可有效保证肋与蒙皮的胶接质量。     

复合材料T型加筋壁板后屈曲承载能力研究

为了研究飞机复合材料T型加筋壁板结构在轴压载荷下的承载能力,对复合材料T型加筋壁板进行了轴压试验,并使用工程算法和有限元法仿真进行了分析,得到了加筋板的屈曲载荷及破坏载荷、载荷-位移曲线及损伤演化过程。对比两种分析方法与试验结果可以得到:当复合材料加筋壁板屈曲后,还有较强的后屈曲承载能力;相对于有限元分析方法,工程算法误差更大;准静态法可以有效地模拟出加筋板的屈曲及后屈曲行为,但是计算代价相对较大。