筋条形式和制造工艺对轴压载荷下钛合金加筋板力学行为模式的影响分析

加筋壁板是航空结构中常用结构形式,不同筋条形式和不同制造工艺会影响其力学行为及其失效模式.针对钛合金加筋板,采用有限元方法建立数值计算模型,研究了T型、L型和Z型3种不同截面形式筋条对加筋板的屈曲模态和破坏形式的影响机制,分析了焊接、点焊和铆接不同制造工艺对加筋板的屈曲载荷和后屈曲特性的影响.结果 表明:T型加筋板的屈...     

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。     

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。     

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。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩屈曲特性

分别应用工程算法和有限元软件ANSYS对碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩稳定性进行了分析,得到了加筋板的临界失稳屈曲载荷和屈曲模态;同时对复合材料加筋板进行了压缩稳定性试验,并与计算结果进行了对比验证。结果表明:碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板具有后屈曲承载能力,其压缩破坏形式主要为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂;工程算法结果、有限元计算结果与试验得到的临界屈曲载荷误差分别为13.8%和-15.5%,结果较吻合,证明了工程算法的正确性和有限元模拟方法的合理性。     

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.     

含离散源损伤Z向增强复合材料加筋板压缩特性研究

以含穿透中央筋条的切口模拟离散源损伤,对无增强、Z-pin增强、改进锁式缝合增强、Tufting缝合增强复合材料加筋板进行轴向压缩试验,研究含离散源损伤Z向增强加筋板的损伤扩展模式与破坏特征。结果表明,壁板和筋条间的Z向增强有效控制了壁板与筋条的脱粘,提高了加筋板的屈曲载荷。切口前端的分层只引起局部的屈曲,沿切口方向未切断筋条的断裂和壁板边缘的突然压溃导致加筋板的最终破坏。三维有限元渐进损伤分析结果显示,选用Hashin判据作为失效判据,可以很好地模拟含离散源损伤复合材料加筋板的轴向压缩渐进损伤过程。采用线约束模拟壁板与筋条翼缘之间的Z向增强是合理的,线约束的引入在损伤扩展至筋条下方壁板区域后有效控制了损伤的扩展。     

整体加筋壁板剪切试验件改进设计与试验验证

对整体加筋板试验件的结构形式和剪切试验的提前失效进行了阐述,通过有限元模拟分析其失效原因,进而对结构设计改进。基于有限元分析,试验验证结果表明,改进后的试验件发生剪切失稳后继续承载,直至破坏,失效模式正确;改进后的试验件破坏载荷是前期试验件的2.78倍,明显提高了结构的承载能力,说明剪切试验件角区细节设计至关重要。研究成果为整体加筋壁板剪切试验提供了设计思路和试验支持。     

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。     

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。     

复合材料多墙盒段后屈曲的破坏预测方法

目前复合材料垂尾已广泛运用在多种飞机型号上,为了保证结构安全,研究复合材料垂尾盒段的力学特性十分必要。建立在弯剪载荷下垂尾盒段屈曲和后屈曲的模型,重点研究了在弯剪载荷下后屈曲诱发的盒段蒙皮铺层间、蒙皮/缘条之间界面的失效问题;其中蒙皮铺层之间采用实体单元进行连接,连接界面采用二次应力准则作为损伤的起始判据,能量混合准则作为损伤的扩展判据,并且自定义损伤变量实现刚度的非线性衰减;蒙皮与缘条之间采用cohesive单元模拟胶层;复合材料壁板采用断裂面准则作为失效判据,该判据能有效判断基体的失效。该模型基于Abaqus动态显式分析步,屈曲模态、屈曲载荷、破坏形式与极限载荷与实验吻合良好,证明了该方法的有效性。     

剪切载荷下复合材料加筋壁板的屈曲性能及承载能力试验研究

对3种不同蒙皮/长桁刚度配比的无损与含目视勉强可见损伤(BVID)的复合材料加筋壁板,分别进行剪切载荷下的试验研究,得到了结构的屈曲载荷、承载能力及失效模式,研究成果可为今后复合材料加筋壁板的设计提供参考。试验表明,在一定范围内,剪切试验件的承载能力随着蒙皮/长桁刚度配比的增加而增加,对于蒙皮/长桁刚度配比为3.79的试验件,冲击损伤对结构承载能力的影响较为明显,且帽顶冲击损伤对试验件的承载能力影响更大。对于蒙皮/长桁刚度配比为3.84、3.92的试验件,冲击损伤对试验件的承载能力影响不大,但是冲击损伤降低了局部刚度,造成结构件发生局部屈曲而导致破坏。     

搅拌摩擦焊接加筋板轴压稳定性研究

运用半经验公式对采用搅拌摩擦焊接技术的加筋板轴向压缩局部屈曲临界应力进行工程计算,并应用有限元软件ABAQUS对该型结构的稳定性进行数值计算,得到结构的失稳屈曲临界载荷;参考工程计算和有限元计算值,对加筋板进行轴向压缩试验,对其屈曲形式、失稳及破坏载荷进行试验研究,并考虑侧边支持条件对结果的影响。试验分析表明,非承载边的约束条件对试件的屈曲载荷有一定的影响,而对试件的承载能力影响较小;搅拌摩擦焊加筋板具有一定的后屈曲承载能力;有限元计算结果与试验结果较吻合,说明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。     

不同夹芯复合材料夹层结构的剪切破坏行为

对蜂窝和泡沫夹芯的复合材料夹层结构通过夹具用拉伸试验模拟剪切破坏行为,分析了试验载荷-应变曲线及失效模式,得出应变场分布情况及失效原因,并分别对不同夹层结构的剪切行为进行了有限元模拟。结果表明:夹层结构的失效模式均为沿加载方向的屈曲破坏,并且在中间区域与边界区域之间的区属于纯剪应力区;夹芯材料的横向剪切模量直接影响了复合材料夹层结构的屈曲破坏载荷和失效模式:有限元分析的屈曲模态与试验失效模式较为吻合。     

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。     

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%。     

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。