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.     

复合材料层压板低速冲击损伤的有限元模拟

基于复合材料层压板的低速冲击试验,建立一套“铺层-界面-铺层”的复合材料层压板在低速冲击载荷作用下的有限元模型.通过VUMAT子程序建立复合材料铺层的本构关系,采用应力描述的失效判据来判断层内的各种损伤,并结合相应的刚度折减方案对失效单元进行刚度折减.模型中在相邻两铺层间加入cohesive单元,用来模拟层间界面.     

后屈曲复合材料加筋板筋条-蒙皮界面失效表征

针对后屈曲复合材料加筋板筋条-蒙皮界面失效,进行了基于六点弯试验的失效表征研究。在商业有限元软件Abaqus中建立加筋板轴压以及六点弯试验的有限元模型,采用Cohesive单元和子模型法,对轴压后屈曲和六点弯试验的筋条-蒙皮界面失效起始位置、失效模式及内力分布进行了对比分析。基于有限元结果,还推导了界面控制内力的计算方法,给出了界面脱粘的失效表征方程和失效包线。计算结果表明,六点弯试验可有效表征后屈曲复合材料加筋板的界面失效。     

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。     

低速冲击下复合材料层合板分层损伤的数值模拟

为了分析冲击载荷作用时层合板的损伤情况,建立"子板-弹簧元"的三维有限元分析模型.在该模型中将连续铺层相同的单层作为一层合子板,相邻子板间采用弹簧单元连接.采用该模型对一层合板的冲击过程进行分析,分析过程中结合失效准则预测失效模式,然后定义对应的弹簧单元失效来实现材料性能参数的衰减.计算结果和试验结果吻合较好,同时得出一些有用的结论.     

复合材料层合板压缩载荷下渐进损伤分析与试验验证

基于渐进损伤分析方法,建立了复合材料层合板的三维有限元模型。该模型包含应力分析求解、单元失效判定和损伤单元材料性能退化。采用了修正的带剪切非线性的Hashin准则作为单元的失效判据,使用Camanho模型对失效单元进行材料性能退化。通过编写用户自定义材料子程序(UMAT),实现了失效准则与材料退化准则在Abaqus中的应用。并对有限元模型进行了试验验证。计算值与试验值之间误差为8.7%。有限元计算得出的失效位置与失效模式和实验吻合很好,结果表明本文模型能合理进行层合板的强度预测和失效分析。     

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。     

复合材料层压板机械连接失效分析

以Tsai-Wu失效准则为损伤判据，Hashin分类准则为损伤类型判据，采用有限元软件及逐步失效处理方法，建立起层压板损伤发生、扩展过程仿真模型。针对复合材料层压板螺栓连接，采用刚度比率退化法，进行损伤处理及破坏过程数值模拟，求得层压板螺栓连接结构首层失效强度及最终失效强度。试验结果和分析计算一致，证实了该理论模型的有效性。     

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。     

复合材料梁腹板在弯剪复合载荷作用下的屈曲和后屈曲研究

针对复合材料腹板悬臂梁在弯剪复合载荷作用下的稳定性和破坏强度开展研究。通过试验获得腹板的屈曲载荷与结构破坏载荷,改进了基于试验数据确定屈曲载荷的方法。采用商用有限元软件Abaqus对试验进行数值模拟,研究复合材料梁腹板的屈曲和后屈曲特征,并通过USDFLD子程序实现对复合材料失效过程的模拟。研究表明,复合材料腹板具有典型的屈曲特征和较强的后屈曲承载能力,对其屈曲载荷、后屈曲历程和结构破坏载荷的模拟结果与试验实测结果吻合良好,对复合材料梁腹板损伤模式的模拟结果与结构实际破坏形貌相一致。     

胶接和共固化成型对复合材料加筋板压缩性能的影响

为了研究胶接和共固化成型的复合材料加筋板的压缩性能,本文首先开展了两类加筋板轴压试验。然后,建立了渐进损伤有限元模型,模拟加筋板压缩失效过程。复合材料根据Hashin准则判定其失效,蒙皮和筋条间界面采用二次应力准则作为损伤起始判据。通过引入指数形式的损伤状态变量,直接折减材料失效点刚度矩阵来模拟材料的失效过程。随后,根据试验和有限元结果,详细讨论了加筋板的压缩过程。结果表明,两类加筋板失效模式一致,而胶接加筋板比共固化加筋板压缩承载能力略高。     

航空复合材料-金属连接结构的拉伸性能及其渐进损伤

利用有限元软件建立了某型飞机复合材料-金属连接结构件模型,以改进的Camanho损伤退化模型作为失效判定准则,模拟了该连接结构件的拉伸性能和损伤累积过程并进行了试验验证。结果表明:在加装防弯夹具后,复合材料-金属连接结构件的拉伸试验结果更加准确,拉伸破坏模式由拉脱破坏变为挤压破坏;在较小的拉伸载荷下,其应变随载荷的增加呈线性增大,在金属上的应变明显大于复合材料层合板上的;损伤从复合材料和金属连接螺栓处产生,随载荷的增大逐渐累积并沿螺栓挤压方向扩展;模拟得到的最终破坏载荷为90kN,与试验值的相对误差仅为6.5%,证明了模拟结果的准确性。     

纤维增强复合材料涡轮轴结构静强度计算与分析

基于适用于纤维增强复合材料的细观力学代表体积元(RVE)法和材料强度失效参数计算公式,计算体积分数为40%的SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料的力学性能参数和强度失效参数,建立以实际某型号发动机低压涡轮轴为背景,并用SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料代替原有高温合金材料,应用复合材料宏观强度准则中的蔡—吴张量失效准则,对其进行静强度计算与失效判定,总结作为衡量趋近失效程度的蔡—吴强度指数随轴结构复合材料铺层数的变化规律,同时对铺层总数为27层的轴结构进行给定载荷下的强度计算,得出轴结构内部每一铺层的强度指数及铺层强度指数随铺层位置、45°铺角不同的变化规律,并预测在极限载荷下轴结构铺层首先出现失效的情况。     

复合材料尾翼结构的稳定性分析及补强设计

基于MSC.MARC非线性有限元计算软件,针对复合材料垂尾结构进行了非线性稳定性计算.选用复合材料第1层和最后一层的应力绘制出应力随加载变化的曲线,该曲线不但能准确判断失稳临界点,而且还能形象地描述屈曲窝的形成过程.最后,依据蒙皮局部失稳后载荷的转移情况,综合考虑补强效果、结构增重及制造工艺等因素,选用在屈曲窝处布置纵向加强筋的补强方式进行稳定性补强.     

切向加载下螺栓连接复合板的失效分析*

极限载荷和孔周应力是导致螺栓连接复合板失效的主要因素。基于Hashin失效准则和有限元模型建立螺栓连接复合板的渐进损伤有限元模型,通过位移载荷响应讨论预紧力、界面摩擦因数和孔隙变化对极限载荷的影响,分析不同铺层角下孔周应力分布规律。结果表明：随预紧力增大,螺栓连接复合板极限载荷先增大后减小,随摩擦因数增大,螺栓连接复合板极限载荷逐渐增大;不同孔隙下准线性阶段位移载荷响应基本一致,孔隙对极限载荷的影响主要体现在滑移阶段及剪切变形阶段;孔隙增大会减小螺栓与螺孔间的有效接触面积,影响螺栓连接的压力分布和强度;纤维铺层方向与应力分量同向时可有效减少外载荷导致的该方向应力分量的变化,且主应力分量皆在承压区域达到其最小值;应力分量方向与纤维铺层方向相同且该方向无外载荷作用时,应力分量随着角度从承压区到非承压区递增变化。     

复合材料壁板后屈曲分析失效准则的适用性研究

为了筛选用于复合材料加筋壁板后屈曲分析的失效准则,设计了具有较长后屈曲历程的L型加筋条试验件,并对其进行压损破坏试验,同时建立了考虑渐进损伤的有限元模型,计算得到了载荷-应变曲线,屈曲载荷和破坏载荷。计算结果和试验数据吻合良好,预测的失效模式也与试验结果一致,验证了建模方法的有效性。并在有限元分析中分别采用了五种不同的失效准则进行计算,得到了各失效准则对应的破坏载荷和失效模式,表明通过L型加筋条试验和分析结合,可以对各个失效准则的有效性进行验证,避免失效准则选取的随意性,从而为复合材料加筋壁板后屈曲设计分析提供指导。     

复合材料工字梁铺层结构设计及强度研究

根据复合材料层合工字梁的结构特点,基于经典层合板理论和最大应力强度准则,用MATLAB软件编程设计了复合材料工字梁缘条和腹板的铺层结构。建立了基于工艺的3种工字梁铺层结构有限元模型,分析了静载荷作用下3种铺层结构的应力状态。给出了典型铺层的应力云图。计算了复合材料层合结构材料主方向应力,使用最大应力强度准则,给出了线性状态下3种不同铺层结构工字梁的极限载荷。有限元分析结果与经典层合板理论计算结果进行了对比。分析表明:1)工字梁铺层采用内C形连接和L形连接时极限载荷高于理论设计载荷,外C形连接的极限载荷低于理论值,3种铺层方式极限载荷误差都在9%以内,与理论值基本吻合;2)有限元分析结果显示初始损伤均发生在工字梁下缘条45°铺层中,损伤模式为基体断裂;3)工字梁结构极限载荷主要取决于基体强度;4)工字梁发生破坏的截面位于其固支端;5)所建立的基于经典层合板理论的工字梁设计方法和工字梁有限元分析模型是正确可靠的。     

基于弯扭耦合的大型风力机复合材料叶片结构特性研究

为研究不同类型弯扭耦合叶片结构特性,以NREL 5 MW风力机叶片为研究对象,结合复合材料铺层设计建立不同弯扭耦合叶片有限元模型,通过CFD方法求解叶片气动载荷并对各叶片开展结构模态、强度及屈曲计算,分析不同耦合区域及耦合角度对叶片结构特性影响.结果 表明:弯扭耦合叶片各阶固有频率大多低于传统叶片,其中蒙皮耦合叶片变化最小而全耦合叶片影响最大;弯扭耦合叶片可降低内部von Mises应力及应变峰值,提高叶片疲劳寿命,其中蒙皮耦合叶片降幅最大而主梁耦合叶片降幅最小,尤以蒙皮耦合叶片θ=20°减载效果最佳;弯扭耦合叶片切应力大多高于传统叶片,仅蒙皮耦合叶片θ=20°最大切应力低于传统叶片;叶片的弯扭耦合特性对其稳定性产生一定影响,其中主梁耦合叶片临界屈曲载荷降幅较大而其他弯扭耦合叶片有小幅上升,且一阶屈曲变形量均低于传统叶片.     

多墙翼面结构后屈曲强度试验和数值研究

采用静态试验和有限元分析相结合的方法研究了复合材料中厚蒙皮多墙翼面结构的后屈曲性态、强度和破坏过程。有限元分析取得的载荷-位移曲线和试验结果的一致性说明了有限元模型的正确性。在此模型基础上,采用非线性弧长法追踪外载-位移路径,研究了盒段在压缩和集中力两种不同载荷下的后屈曲行为。给出了屈曲临界载荷和屈曲变形性态,分析了后屈曲强度和破坏过程。     

复合材料厚板单钉螺栓连接强度研究

在Abaqus有限元软件中,建立复合材料层合板单钉单剪螺栓连接结构的三维有限元模型,引入三维Hashin准则作为失效判据,同时考虑拧紧力矩因素,分别采用分区退化方案和整体退化方案对不同厚度层合板单钉单剪螺栓连接结构的失效过程和连接强度进行分析预测。计算结果与试验结果的对比表明:普通退化方案得到的位移载荷曲线折减不够,且最终不能下降,采用分区退化模型的计算结果较为准确;随着板厚的增加,螺栓连接强度呈下降趋势,且下降速度由快变慢,即随着层合板厚度的增加,结构承载能力的提升程度减小;合适的拧紧力矩可以增大结构的极限强度,过大的拧紧力矩不利于结构的承载。