斜撑杆对复合材料机身段适坠性能的影响研究

适坠性已经并将继续是飞机安全的主题。针对典型的运输类飞机复合材料机身段,研究斜撑杆对机身框段适坠性能的影响。建立复合材料机身段有限元模型,通过改变斜撑杆角度和刚度,分析复合材料机身结构在坠撞速度为6.67 m/s时的坠撞特性。对比分析各种情况下座椅与地板连接处的加速度—时间历程曲线和机身段的破坏模式。仿真结果表明,选取合适的复合材料机身段斜撑杆角度和刚度,可显著降低座椅处的过载峰值,有效提高复合材料机身框段适坠性能。     

货舱载荷对复合材料机身框段适坠性影响分析

针对复合材料飞机结构适坠性验证及适航审定需求,建立货舱地板下部为波纹板的复合材料蒙皮机身框段有限元模型及货舱货物刚体简化模型,研究其在7 m/s垂直坠撞条件下的适坠性能。通过与无货舱货物情况进行对比,分析货舱载荷对机身结构变形模式、加速度响应特性和机身结构吸能特性的影响,进而为飞机结构适坠性设计及分析提供参考。仿真结果表明,货舱载荷导致货舱下部波纹板严重变形,但吸能量增加,外侧座椅与地板连接处的加速度低于无货舱货物情况,坠撞过程中机身各部分结构吸能是同时进行的。     

民机地板以下结构参数变化对复合材料机身适坠性能的影响研究

为了确保乘员在可生存事故中存活,民机结构必须具备适坠特性。复合材料结构坠撞后的材料破坏形式与常规的金属材料破坏有所不同,复合材料民机的适坠性设计需要对地板以下结构参数变化对复合材料机身适坠特性的影响进行深入的评估。这里对某金属材料民机典型机身结构通过刚度等代设计得到复合材料机身简化模型,利用LS-DYNA3D建立了1/4缩比动力学仿真模型,利用该模型考察了行李舱支柱位置、角度、刚度及行李舱高度变化对复合材料机身适坠性能的影响。仿真结果表明地板以下结构参数变化对复合材料机身和金属机身坠撞响应的影响是不同的,考察的参数中行李舱支柱角度、刚度是影响坠撞响应的关键因素。     

含货舱门的大型民机机身段垂直坠撞仿真分析

建立了含货舱门的大型民机机身框段结构适坠性分析的全尺寸非线性有限元模型,模型中考虑了机身框、长桁、蒙皮、货舱及行李、客舱地板、客舱吊柜和座椅。利用该模型对机身框段进行了垂直坠撞仿真分析,坠撞速度为9.14 m/s,采用动力学软件MSC.Dytran进行求解,计算得到机身框段结构的变形和试验中各测量点处的加速度响应。计算结果与试验结果的吻合验证了所建模型的有效性。在该模型的基础上,对机身框段在不同滚转角垂直坠撞工况下的适坠性进行了分析。结果表明:在所计算的工况中,当飞机左滚12°和右滚8°坠撞时,机身结构破坏最严重,乘员承受的过载最大。货舱门结构增加了舱门侧的机身结构刚度,使机身结构左右变形不对称,含舱门侧的机身变形较小,含舱门侧的乘员承受过载较大。     

滚转角度对民机机身结构耐撞性能的影响

适坠性已经并将继续是飞机安全的一个重要关注点。为了研究不同滚转角度对机身结构动态响应特性的影响,针对典型的运输类飞机机身结构,建立货舱地板下部为波纹板布局形式的机身段有限元模型,分析该机身段在0°、5°、10°和15°的滚转角度下,以6.67 m/s的坠撞速度撞击刚性地面时的坠撞特性,对比分析不同滚转角度下机身段的破坏模式和座椅与地板连接处的加速度—时间历程曲线。结果表明:不同滚转角度会对机身结构的变形以及座椅处加速度响应产生显著影响,采用合适的应急着陆方式可以有效提高飞机的适坠性能。     

滚转角度对民机机身结构耐撞性能的影响

适坠性已经并将继续是飞机安全的一个重要关注点。为了研究不同滚转角度对机身结构动态响应特性的影响,针对典型的运输类飞机机身结构,建立货舱地板下部为波纹板布局形式的机身段有限元模型,分析该机身段在0°、5°、10°和15°的滚转角度下,以6.67 m/s的坠撞速度撞击刚性地面时的坠撞特性,对比分析不同滚转角度下机身段的破坏模式和座椅与地板连接处的加速度—时间历程曲线。结果表明:不同滚转角度会对机身结构的变形以及座椅处加速度响应产生显著影响,采用合适的应急着陆方式可以有效提高飞机的适坠性能。     

基于乘员腰椎损伤指标的座椅垂直冲击波形包线研究

结合某型号飞机的机身结构适坠性(乘员生存力包线)设计需求,首先开展了满足AC 25.562-1B规章要求的“地板-座椅-乘员”系统的标准14g垂直冲击试验,并基于Ls-Dyna有限元软件进行仿真,与试验对标;在完成仿真模型标定后,为了模拟垂直坠撞工况下的乘员腰椎损伤情况,开展了80°工装角度的不同峰值和脉宽的三角波形设计、仿真分析和试验验证,获得了符合乘员腰椎损伤指标的座椅垂直冲击波形包线,为飞机机身结构适坠性设计提供参考。另外,基于乘员腰椎载荷损伤指标提出了座椅“传力系数K”的概念,以及坐垫在不同波形工况下对乘员腰椎载荷的滞后性影响。     

基于乘员响应的民机典型机身段结构适坠性分析与评估

保护乘员的生命安全是飞机适坠性设计的最终目标。为了更为准确的模拟乘员在坠撞过程中的动响应及伤害情况,利用LS-Dyna构建了包含假人及座椅约束系统的机身段坠撞仿真模型,对机身段在垂向撞击速度为9. 14 m/s时结构及乘员的动响应进行了详细分析,包括机身结构的吸能特性及破坏模式、舱内设施的系留状况、乘员的运动及伤害情况等,并通过与试验数据的对比验证了坠撞仿真模型的可信性;最后,开展了民机适坠性评估方法研究,通过对相关适航条款、咨询通告及标准的解读和梳理,提出了以生存空间、系留强度、乘员伤害、撤离通道和坠撞后环境为考核指标的民机适坠性综合评估方法。机身段适坠性分析表明,垂直坠撞环境下乘员的伤害模式主要为腰椎和小腿伤害,坠撞过程中乘员腰椎最大压缩载荷为6. 78 kN,小腿胫骨最大轴向压缩载荷为7. 46 kN;利用提出的适坠性综合评估方法对所构建民机的适坠性进行了系统评估,可知其适坠性较好,除乘员腰椎载荷稍微超出适航规定值而需要进行相应的设计改进之外,其余评估指标皆符合要求。     

复合材料垂尾盒段力学性能研究

目前复合材料垂尾已在多种型号飞机上使用,为保证设计优化和结构安全,复合材料垂尾盒段力学特性的研究十分必要.文中进行了垂尾盒段的弯扭试验,用MSC.PATRAN/NASTRAN建立了复合材料垂尾盒段的有限元模型并进行了计算.通过计算结果和试验结果的对比验证了模型的正确性.试验和模拟得出复合材料盒段力学性能.复合材料盒段加筋蒙皮受力情况十分复杂,蒙皮应变沿厚度线性分布,各层应力不是连续分布的,但是在层内却是连续分布的.加筋的存在增加了该处蒙皮的刚度,相同铺层角度的复合材料铺层沿着加筋条方向的应变分布情况相似,而且应变水平相近等.     

FiberSIM在飞机复合材料壁板设计中的应用

复合材料以其密度低、比强度和比刚度高、疲劳性能好和可设计性,现已广泛应用于飞机的主结构设计中。复合材料结构设计较金属结构复杂,应额外考虑内部铺层结构设计。FiberSIM作为数字化设计制造一体化软件,为复合材料的设计和制造提供全面的解决方案。讨论了FiberSIM辅助机身壁板设计过程中的关键设计点,分析了相关参数对复合材料蒙皮制造仿真结果的影响。     

复合材料层合板冲击损伤影响因素分析

应用三维逐渐累积损伤理论和有限元分析技术对复合材料层合板的低能冲击过程进行了详细分析,研究了不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式对复合材料层合板冲击损伤的影响规律。研究结果可为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导。     

大型复合材料构件变形控制技术

为解决大型复合材料构件特别是大尺寸薄壳结构在成型过程中容易发生翘曲变形的技术难题,文中从铺层设计、模具材料、固化工艺等多个方面分析了产生变形的内在原因。对各个原因进行机理分析,提出通过合理的铺层设计、选择热膨胀系数相近的模具材料、严格控制构件内外温度场及成型压力等手段可以有效控制大型复合材料结构件的尺寸精度。最后通过大尺寸全复合材料机身的研制,验证了变形控制方法的有效性和可行性。     

层合板低速冲击损伤的数值模拟

为了分析复合材料层合板在冲击载荷作用下,层合板的损伤演化发展情况,结合采用单元失效技术和铺层刚度退化技术建立层合板低速冲击的三维有限元分析模型。在该模型中,当有限元模型中的单元发生某种冲击失效形式时,定义该单元发生部分失效,并将其刚度适当的退化。计算发现冲击背面容易产生基体开裂,并由此导致分层发生,而且靠近冲击背面的界面所产生的分层面积要较靠近冲击正面的界面的分层面积要大;随着冲击能量的增大,分层面积也增大;当冲击能量很高时,铺层内会出现纤维断裂,同时在层合板的边界处也容易出现损伤,计算结果和试验结果吻合。     

基于超声复解析信号的碳纤维层压复合材料检测方法研究

采用超声波检测碳纤维层压复合材料时,换能器将接收到层间产生的反射信号。为了有效利用层间反射信号表征碳纤维层压复合材料内部树脂及纤维铺层的几何状态,开展基于超声复解析信号的检测方法研究。介绍超声复解析信号的基本理论,阐述其相对原始A型信号的优势;定义用于成像的复解析信号表征参量,设计基于表征参量的检测成像算法,采用简化声学模型分析碳纤维层压复合材料微观结构超声响应对表征参量的影响;针对包含冲击损伤的碳纤维增强复合材料层压板开展阵列超声检测试验,试验结果表明基于超声复解析信号的检测成像方法可清晰观测出碳纤维层压复合材料微观结构内部的纤维铺层几何形态,基于原始A型信号的检测成像方法无法有效观测,超声复解析信号具有用于表征评价复合材料脱层、褶皱等缺陷的巨大潜力。     

不同冲击条件对机身结构适坠性的影响

针对某型飞机FS380到FS500确定机身段,研究了不同冲击条件对机身结构动态响应特性的影响。建立了机身试验段的等比简化有限元模型。分析了0滚转角、带有10°左滚转角以及带有纵向加速度的情况下,垂直坠撞速度v=9.133 m/s时的冲击特性。对比分析了各种情况下机身框段的变形情况和座椅位置处的加速度-时间历程曲线。结果表明:冲击条件的改变会对机身结构的变形以及座椅处加速度的变化产生影响:左滚转角的出现会改变机身的变形量以及峰值加速度的出现时间,纵向冲击的加入会增加地板的变形量但会有限地减小座椅处的峰值加速度,采用合适的应急着陆方式能提高飞机的耐坠毁性能。     

Characterization of CFRP Laminates’ layups using through-Transmitting ultrasound waves

Ultrasound waves interact strongly with the orientation and sequence of the plies in a layup when propagating in the thickness direction of composite laminates. Also the layup orientation greatly influences its properties in a composite laminate. If the layup orientation of a ply is misaligned, it could result in the part being rejected and discarded. Now, most researchers cut a small coupon from the waste edge and use a microscope to optically verify the ply sequences on important parts. This may add a substantial cost to the production since the test is both labor intensive and performed after the part is cured. A nondestructive technique would be very beneficial, which could be used to test the part after curing and requires less time than the optical test. Therefore we have developed, reduced, and implemented a novel ply-by-ply vector decomposition model for composite laminates fabricated from unidirectional plies. This model decomposes the transmission of a linearly polarized ultrasound wave into orthogonal components through each ply of a laminate. High probability is found, by comparisons between the model and tests, in characterizing cured layups of the laminates by using the proposed method.     

应用扰动广义微分求积法的复合材料层合板剪切屈曲分析与优化

广义微分求积(GDQ)法求解复合材料层合板剪切屈曲时存在计算精度差、计算振荡不收敛问题,研究发现该现象源于载荷矩阵存在奇异,为此,提出扰动GDQ法,通过扰动主对角线权重系数以改善载荷矩阵的奇异性来消除计算振荡。数值算例验证了扰动策略的有效性,实现复合材料层合板剪切屈曲问题的高效稳定求解。在此基础上,结合直接搜索模拟退火算法,开展了含剪切载荷的复合材料层合板铺层顺序优化。结果表明：剪切工况时对称复合材料层合板的优化铺层不受铺层数和铺设形式影响,优化铺层角随长宽比增大而趋于60°;而剪切与轴压组合工况下较小的剪切力能改善层合板屈曲性能,随着剪切力的增大,优化屈曲性能逐渐降低,优化铺层趋同于剪切工况。研究结果为复合材料层合板的剪切屈曲性能设计提供了参考。     

铺丝成形复合材料格栅筋条的纤维形态与弯曲性能评价

为进一步提高复合材料格栅筋条结构承载效率,提出了基于“剪断-续铺”的格栅节点纤维形态调控方法,采用显微观察、有限元仿真、试验验证的手段,研究了不同剪断续铺层含量和分布位置对复合材料格栅节点处纤维形态和格栅筋条弯曲性能的影响。结果表明,复合材料格栅筋条铺丝成形过程中,合理的非连续铺层在提高筋条极限弯曲载荷的同时,还会在其内部引入伪韧性弯曲行为。仿真结果与试验结果误差小于8%,具有良好的一致性。利用建立的有限元模型分析了含非连续铺层的格栅结构失效机理。综合分析非连续铺层对格栅节点纤维形态、格栅结构弯曲载荷承载能力和力学行为的影响,对于常见格栅筋条,其最优的格栅筋条节点非连续层含量为25%且在节点顶部集中分布。     

冲击后复合材料板剩余抗拉强度影响因素分析

应用提出的全程分析方法和三维逐渐累积损伤理论,对层合板的冲击过程以及冲击后含损伤层合板在拉伸载荷下的破坏过程进行详细分析.研究不同冲击能量、不同材料的冲头、不同复合材料体系和不同铺层方式等因素对层合板冲击损伤及剩余抗拉强度的影响规律,为更有效地进行复合材料抗冲击结构设计提供一定的指导作用.