损伤位置对复合材料加筋壁板轴压承载能力的影响

通过落锤冲击试验分别在复合材料加筋壁板的蒙皮中央、长桁平筋边缘和长桁轴线处冲击出深约1mm的凹坑,然后对其进行轴压试验,研究了损伤位置对加筋壁板轴压承载能力的影响,并与未损伤试样进行了对比。结果表明:损伤位置对复合材料加筋壁板轴压承载能力有很大影响,损伤位于蒙皮中央、长桁平筋边缘、长桁轴线处加筋壁板的屈曲载荷分别为未损伤加筋壁板的83.1%,90.7%,96.1%,破坏载荷分别为未损伤加筋壁板的90.2%,84.8%,79.7%;蒙皮对加筋壁板的整体稳定性起主要作用,筋条对加筋壁板的最终承载能力起主要作用。     

T形长桁整体加筋壁板稳定性研究与试验验证

综合运用工程计算方法、有限元分析方法和试验方法,分别进行了13种T形长桁整体加筋壁板的稳定性研究,讨论了两种理论方法的准确性,得到了长桁与蒙皮刚度比对屈曲载荷的影响变化规律。结果表明:工程计算方法、有限元分析方法与试验结果吻合较好;当Ast/(bsts) 0. 4时,整体加筋壁板的局部屈曲载荷随长桁与蒙皮刚度比的减小而提高;随肋间距的增加,屈曲载荷变化不大。     

筋条参数对复合材料加筋壁板剪切承载能力的影响

通过对飞机上大量使用的复合材料加筋壁板进行剪切试验,得到了不同筋条间距和腹板高度下加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷,分析了筋条间距和腹板高度对加筋壁板剪切承载能力的影响。结果表明:随着筋条间距增大,加筋壁板由局部屈曲变为整体屈曲,屈曲载荷和破坏载荷均逐渐减小;随着腹板高度增大,加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷均增大,当腹板高度达到35mm时则基本不再变化,分别保持在425kN和775kN左右。     

筋条分层损伤复材加筋壁板的稳定性分析及修理

从工程实际问题出发,采用有限元方法,模拟典型结构/典型分层类型,对某型飞机筋条带分层损伤的复合材料加筋壁板稳定性进行计算分析,针对分层原因提出损伤控制和修理的工程可行方案。全尺寸带分层损伤结构静强度试验表明壁板稳定性决定结构整体承载能力,由于筋条分层提高壁板工作应力的同时降低了蒙皮局部支持刚度,导致初始失稳载荷及总体承载能力的下降。试验结果较好的印证了有限元分析方法的正确性。     

复合材料加筋壁板修理后压缩性能试验研究

由于机翼为主承力结构,蒙皮修理主要采用机械连接修理方式。本文针对民机复合材料机翼上蒙皮壁板结构的离散源损伤开展了修理方案设计、试验验证及分析研究。首先,根据损伤类型和上蒙皮壁板的传载特性,设计了机械连接金属补片修理方案,并制造了包括损伤和损伤修理两类试验件,进行了试验验证,修理后承载能力提高了133%,能够满足一般民机复合材料机翼蒙皮设计许用应变的要求。但该修理方法使得试验件修理区域较原结构刚度偏大,造成试验件修理区域承载高于两侧长桁。另外,修理补片会造成试验件提前出现载荷偏心弯曲。虽然修理补片的刚度和强度还有待进一步优化,但该修理方法依然可为今后民机复合材料机翼修理方案的设计提供参考。     

含预制脱粘加筋壁板挖补修理前后压剪性能试验研究

加筋壁板作为飞机复合材料翼面结构中的典型受力构件,在制造、服役和维护过程中不可避免地会产生缺陷或损伤,影响结构的承载能力。本文针对含预制脱粘加筋壁板引入目视勉强可见损伤(BVID),并对缺陷及损伤采取不同的修理方案,结合真实的受载情况,进行了试验研究,对比修理与未修理试验件在压剪复合载荷作用下的应变水平,并对试验件修理后的极限承载能力进行了验证。试验表明,修理前后加筋壁板冲击损伤修理区附近以及预制脱粘修理区附近应变水平变化很小,修理未改变结构的传力路径,试验件破坏载荷为165%设计载荷(未计及环境因子)。本文针对复合材料加筋壁板损伤修理试验研究成果可为今后复合材料加筋壁板修理方案的设计提供参考。     

复合材料加筋板在剪切载荷下的屈曲特性研究

通过对复合材料薄壁加筋板结构进行剪切载荷下的屈曲试验研究,得到结构的屈曲模态、屈曲失稳载荷以及破坏形式,并通过有限元方法对结构的屈曲进行数值分析,分析得到的复合材料薄壁加筋板结构的屈曲模态和试验结果一致,屈曲载荷与试验结果吻合较好.试验还发现复合材料薄壁加筋板结构有较高的后屈曲承载能力,后屈曲过程中由于桁条脱胶会造成屈曲模态的变化.还分析了筋条的连续性对屈曲载荷的影响.     

铝合金搅拌摩擦焊接加筋板剪切稳定性能研究

对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接加筋壁板的剪切稳定性能进行试验研究,得到该结构的剪切失稳形式及屈曲载荷、承载能力及破坏形式。应用有限元法对该焊接加筋壁板结构进行简化建模,对该结构的稳定性和承载能力进行计算,将计算结果与试验结果进行比较。试验及有限元计算结果表明,结构的剪切失稳形式表现为筋条间平板的局部屈曲;屈曲后结构进入张力场受力状态,破坏形式主要表现为平板的塑性变形和边缘撕裂、筋条的弯扭变形以及焊接区的局部脱焊;出现脱焊现象的试验件其承载能力较未出现脱焊现象的试验件下降7.7%;线性和非线性屈曲计算所得屈曲载荷分别比试验平均值高出18.4%和26.2%,而非线性计算所得承载能力比试验平均值高出5.7%,焊接引起的初始缺陷对结构承载能力的影响小于对屈曲载荷的影响;有限元分析得到的结构屈曲形式和失效形式与试验现象吻合,验证了有限元模型的合理性,但其仍需要进一步改进以考虑初始缺陷来减小计算误差。     

复合材料加筋板剪切屈曲特性研究

分别应用半经验工程算法和有限元软件MSC.Patran/Nastran对复合材料加筋板进行剪切稳定性计算,得到结构的失稳临界载荷;开展复合材料加筋板剪切稳定性试验,得到结构的屈曲形式、失稳载荷、破坏过程及破坏载荷。实验结果表明,复合材料加筋板的破坏形式主要表现为筋条的脱胶和蒙皮的破损,该型结构具有一定的后屈曲承载能力。研究表明,工程算法、有限元计算结果与试验所得局部屈曲载荷较吻合,说明工程算法和有限元模拟方法可以用来对该型结构的稳定性能进行分析,从而为该型结构的优化设计及工程应用提供分析参考。     

含穿透损伤复合材料加筋板轴压试验研究

分别选取复合材料加筋板结构中三处典型位置进行落锤冲击损伤试验,产生穿透损伤,对损伤试件进行轴向压缩试验,得到屈曲失稳载荷及破坏载荷,并将试验结果与完好试件的试验结果进行对比,分析穿透损伤对结构压缩承载能力的影响。结果表明,筋条区蒙皮的冲击穿透损伤会使得结构的压缩局部屈曲载荷和压缩强度有较为明显的下降,而筋条间蒙皮和筋条凸缘处的穿透损伤对结构的压缩结果影响较小。另外,试验表明,含筋条凸缘穿透损伤的结构在压缩破坏过程中会出现较为明显的损伤扩展。试验结果可以为该型结构的工程应用提供有价值的参考。     

复合材料加筋壁板剪切破坏试验与后屈曲分析

针对复合材料加筋壁板在剪切载荷下的稳定性和承载特性,开展了破坏试验和后屈曲分析方法的研究。基于三维Hashin准则和平方应力准则作为复合材料层板和界面胶层的失效判据及刚度退化策略,建立了考虑渐进损伤的剪切破坏分析模型,利用编制的用户自定义UMAT子程序,实现了在ABAQUS中的应用和承载能力的求解。与试验结果相比,结构承载能力和应变状态数值分析与试验值吻合良好,预测的破坏模式也与试验结果一致,屈曲载荷和承载能力相对误差分别为5.4%和3.5%,验证了该建模分析方法的有效性。     

复合材料帽型长桁承载能力研究

通过有限元分析了常用复合材料帽型长桁壁板结构在剪切及压缩载荷作用下破坏模式,通过不同的长桁末端与加厚蒙皮的位置关系,对复合材料帽型长桁端头设计进行研究。     

长桁中断复合材料胶接加筋板的拉伸失效分析

通过对长桁中断复合材料胶接加筋板的拉伸试验和有限元模拟,研究了复合材料加筋板的破坏特性。结果表明:长桁端头有很高的应力集中,桁条被切断导致加筋板传力路线改变;试件的破坏模式为蒙皮与长桁的筋条脱粘,脱粘起始于桁条端部,并沿着蒙皮与长桁的界面扩展;基于断裂力学失效准则的内聚力单元模拟胶接界面,可有效模拟复合材料加筋板的脱粘起始和扩展。验证了改进后的加筋板明显优于参考加筋板。讨论了几何参数对结构承载能力的影响,。     

几何缺陷对复合材料加筋平板轴压屈曲影响研究

当前的设计准则要求复合材料结构在限制载荷下蒙皮不发生局部屈曲,因此对蒙皮屈曲载荷的准确预测至关重要。设计了三种构型复合材料加筋平板轴压试验件,研究蒙皮在轴压载荷下的屈曲和后屈曲;采用线性特征值有限元方法计算了蒙皮的轴压屈曲载荷;采用多阶屈曲模态线性组合的方式引入初始缺陷,应用非线性方法计算了蒙皮轴压屈曲载荷并进行了缺陷灵敏度分析。计算结果和试验结果对比表明:当前计算蒙皮屈曲的工程方法过于保守,有限元方法可以更准确的计算蒙皮的屈曲载荷;初始缺陷对复合材料平板屈曲载荷有一定影响,其影响大小与缺陷幅值息息相关,不考虑该缺陷,会得到非保守的计算结果。     

压剪复合载荷作用下的复合材料加筋壁板设计与试验验证

壁板结构作为飞行器重要的组成部分,在积木式验证体系中占比庞大。在飞机服役过程中,壁板结构真实的受力状态一般不会是单一的压缩或剪切,而是复合载荷状态。国内以往受限于复杂载荷边界条件下壁板试验方法及装置的局限性,在飞机设计过程中,常通过盒段试验来进行壁板选型。目前,中国飞机强度研究所自主研发了复杂载荷壁板试验装置。文章在该装置上对复合材料加筋壁板进行了压剪复合载荷试验,基于数字图像相关技术和应变片测量技术结合的方法对试验全过程进行监测,并对试验过程及结果进行了分析。结果表明,加筋壁板在承受复合载荷作用时的破坏模式主要表现为三类：一是在试验件中上部呈典型剪切失效模式,沿试验件剪切加载方向撕裂;二是试验件右下角加强片处由于压缩载荷作用发生断裂;三是在侧边加强片与蒙皮交界处发生大面积裂开,可能与压缩/剪切载荷的复合作用有关。     

某大型客机复合材料中央翼加筋上壁板制造技术研究

本文通过某大型客机复合材料中央翼加筋上壁板制造成型试验,对大型客机复合材料主承力构件制造技术进行了多方位的研究探索和试验验证,实现了复合材料零件生产过程的全数字化,制造出满足试验指标的复合材料中央翼上壁板组件。结果表明,建立的湿蒙皮+干长桁共胶接等解决方案,技术风险低,无损质量高,对长度4米以下的复合材料长桁加筋壁板制造提供一种思路。     

湿热环境下复合材料加筋壁板压缩屈曲与后屈曲行为的有限元模拟

制备了CCF300碳纤维/BA9916-II环氧树脂复合材料加筋壁板，研究了该加筋壁板在干态和湿热状态下的压缩行为；建立加筋壁板有限元模型，使用经验公式对湿热环境下的材料参数进行修正，通过模拟分析了不同状态加筋壁板的压缩屈曲与后屈曲行为，并进行了试验验证。结果表明：加筋壁板在干态与吸湿状态下均有较强的后屈曲承载能力；湿热环境会对加筋壁板稳定性与承载能力造成较大负面影响，随吸湿时间延长，其屈曲及破坏载荷均呈先快后慢的下降趋势；模拟得到干态加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷与试验结果的相对误差分别为3.1%和5.2%,吸湿饱和态下的相对误差分别为5.6%和6.9%,误差较小，证明了所采用模拟方法的准确性和所建立有限元模型的合理性。     

含预制脱粘的加筋壁板损伤扩展

复合材料加筋壁板在制备过程中容易在筋条蒙皮胶界面处存在缺陷,加速了蒙皮与筋条界面脱粘,在极大程度上影响结构的承载能力。基于Abaqus有限元软件用内聚力模型(CZM)和虚拟裂纹闭合技术(VCCT)两种方法对筋条蒙皮界面含预制脱粘的加筋壁板损伤扩展进行研究,并对比试验结果验证了模型的合理性。给出预制脱粘前缘损伤起始时各型能量释放率的分布;进一步研究不同预制脱粘的位置、面积对加筋板最终破坏状态和结构承载能力的大小。对比发现脱粘前缘损伤起始时II型能量释放率的贡献最大;预制脱粘位于外侧时结构的承载能力比位于中部强;结构的承载能力随着预制脱粘面积的增加而减小。     

含分层复合材料层合板剪切屈曲的实验研究

对含分层损伤的复合材料层合板在纯剪切条件下进行屈曲试验,并通过对试验载荷-应变曲线及损伤形貌的分析以及试验结果和有限元模拟结果的比较,得出复合材料层合板预制分层损伤面积对其剪切屈曲性能的影响.结果表明,试验件含分层损伤面积越大,其破坏载荷越大,而对应的破坏应变越大,因此分层损伤会降低复合材料层合板的承载力和刚度.含分层损伤的层合板试验件其屈曲临界载荷随着分层损伤面积的增加而减小,抗屈曲性能也随之降低.     

湿热环境对复合材料加筋板压缩性能的影响

使纤维增强树脂基复合材料加筋板在70℃、水浴条件下达到吸湿平衡,然后对普通加筋板和吸湿平衡后加筋板进行压缩试验,研究了湿热环境对复合材料屈曲形式、屈曲载荷、破坏载荷和承载能力的影响。结果表明:两种加筋板的破坏形式均主要表现为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂,吸湿后的加筋板仍存在后屈曲过程,但其屈曲载荷下降了8.4%,破坏载荷下降了19.2%。