翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响

为确定翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响,对施加翼肋支撑前后的复合材料工型加筋板和帽型加筋板进行压缩试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过应变计和影像云纹法实时监测试验件的失稳载荷及失稳模态,通过断面观测分析结构损伤破坏机制。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟加筋板屈曲及后屈曲过程,通过失稳节线及反节线上的应力分布变化分析加筋板破坏机制。计算结果与试验结果相吻合,表明翼肋支撑对不同筋条加筋板失稳模态有影响但均不改变结构失稳载荷,位于节线上的翼肋支撑对工型加筋板破坏载荷影响较小,但位于反节线上的翼肋支撑使帽型加筋板的承载能力提高了26.2%。试验件失稳后应力向反节线上筋条蒙皮界面集中,过高的应力导致界面脱粘,使得结构集中在反节线上破坏。      

湿热环境对航空复合材料加筋板压缩屈曲和后屈曲性能的影响

使航空复合材料加筋板在湿热环境中(70°C、水浴)达到吸湿饱和状态,对普通加筋板(A型)和吸湿饱和加筋板(B型)进行压缩实验。两类加筋板的破坏形貌相似,主要是筋条的断裂、脱粘和壁板的分层、撕裂,但破坏位置显著不同,A型加筋板的破坏位置均在加筋板中部附近,而B型分别在靠近两端的部位破坏,表明B型加筋板的破坏位置具有不确定性。两类加筋板的屈曲形式均为筋条间壁板的屈曲和中间2根筋条的屈曲,但两类加筋板相同位置的失稳壁板的弯曲方向相反,说明湿热环境对失稳壁板的弯曲方向影响较大。B型加筋板在压缩载荷下仍存在后屈曲过程,湿热环境对加筋板的屈曲载荷影响较小,对破坏载荷影响较大,较A型加筋板相比两者分别下降了3.1%和22.2%。     

侧边边界条件对复合材料加筋板轴压载荷下屈曲和后屈曲性能的影响

为研究侧边边界条件对复合材料加筋板压缩稳定性能的影响,首先采用有限元软件对压缩载荷作用下的复合材料加筋板进行建模数值计算,得到加筋板在侧边简支和自由2种边界条件下的屈曲载荷和形式,然后采用工程计算方法对加筋板轴压承载能力进行了估算,参考计算结果,分别对侧边有支持和侧边自由2组加筋板进行轴向压缩试验,分析侧边边界条件对试验件的屈曲形式、屈曲载荷以及后屈曲破坏过程的影响。试验结果表明：侧边支持条件会影响加筋板的屈曲形式和破坏形式。对于侧边有支持的试验件,屈曲后整体变形较小,筋条的压缩断裂是主要的破坏形式;而侧边自由的试验件屈曲后会逐渐出现整体弯曲变形,变形引起的筋条脱粘和弯曲断裂则是主要的破坏形式,且筋条脱粘会显著降低结构的承载能力。有限元计算结果与试验结果较吻合,验证了有限元模型的合理性。采用工程计算方法对侧边有支持的加筋板承载能力进行估算具有较好的精度。     

复合材料加筋板后屈曲特性研究

通过对复合材料加筋板进行轴向压缩实验和非线性有限元模拟,研究了其后屈曲阶段的损伤和破坏行为.加筋板在实验中被压缩至完全破坏,压溃的加筋板表现出复杂的后屈曲损伤,包括筋条脱粘、纤维断裂、分层、基体开裂等损伤模式.有限元模型中引入了Hashin准则和基于二次应力的胶层失效准则,失稳及破坏载荷的预测结果和实验值吻合较好.分析...     

航空复合材料加筋板剪切稳定性及后屈曲承载性能

开展了复合材料加筋板剪切稳定性试验,研究了加筋板在承剪状态下的屈曲载荷、屈曲模态、后屈曲承载性能及破坏模式。试验结果表明,加筋板在剪切屈曲载荷下形成的屈曲波长轴线与加强件轴线夹角约45°,当屈曲比达到1.2时,存在二次屈曲行为,最终破坏载荷约为屈曲载荷的1.28倍;加筋板在二次屈曲失稳前,加强件几乎保持直线,起"屈曲分隔"的作用。结合试验现象,进行了加筋板剪切屈曲及后屈曲性能理论分析,得出的理论屈曲载荷与试验屈曲载荷的相对误差为7.2%,后屈曲阶段的理论载荷-应变曲线与试验结果的相对误差在10%以内,并确定了后屈曲角随屈曲比的变化规律。     

复合材料加筋板长桁终止端失效机制

由于设计要求或设计限制条件, 壁板的长桁常常在翼肋或机身框附近、 机翼的前后梁附近、 机翼与机身的开口附近、 机翼的油箱附近等部位终止。在面内载荷作用下, 截面形状突变和传载路径偏移在端头处会产生应力集中, 极易引起缘条/蒙皮界面脱胶分层。对三种构型的长桁终止端典型件在单向拉、 压载荷下的破坏机制进行了试验研究与数值模拟, 结果表明, 拉伸时的失效是由面外剥离应力与层间剪应力的共同作用所致, 而压缩时的失效主要是由层间剪应力所致。     

复合材料加筋板屈曲/后屈曲分析的应用

研究了复合材料加筋板翼面结构稳定性问题,分析了加筋板在压缩和剪切等载荷作用下的稳定性安全裕度。利用计算复合材料加筋板屈曲及后屈曲承载能力的方法,验证复杂受载情况下结构的稳定性。验证对象是一个优化后的满足强度、刚度和工艺制造要求的复合材料机翼。该机翼在各种载荷工况下的内力分布情况由MSC.NASTRAN分析得到,通过本文提出的方法得到每块蒙皮的稳定性承载能力。然后给出复合材料层合板在复杂载荷下的屈曲及后屈曲安全裕度的计算准则,验证优化后的机翼加筋板是否满足稳定性设计要求。该方法可作为约束集成到结构优化系统平台中。     

复合材料加筋壁板长桁终止端混合连接设计分析

对缩短胶接面长度以提高起裂载荷的复合材料加筋壁板长桁终止端新型混合连接设计进行了研究。采用经试验验证的有限元方法,对长桁终止端混合连接的传载与失效机制进行分析,并研究了胶接面长度对结构起裂载荷的影响规律。研究结果表明：新型混合连接设计中紧固件提供的法向约束以及剪切载荷传递路径可显著提升终止端结构的起裂载荷,并增强终止端处界面的抑制损伤扩展能力;结构的起裂载荷随着胶接面的缩短而提高;当胶接面前缘退至连接区末排紧固件之后,可避免结构在最终破坏前发生界面失效,结构强度由蒙皮的机械连接强度决定。     

数字图像相关技术在复合材料加筋曲板压缩试验中的应用

对复合材料自动铺丝和手工铺丝两种T型加筋曲板进行了单轴压缩试验,采用基于数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)的三维光学测量方法对该型加筋曲板的局部屈曲及后屈曲波形进行实时监测,并与传统应变、位移测量结果进行了对比分析。试验结果表明:DIC能够准确捕捉整个试验过程中的位移场,使用DIC设备观测到的屈曲模态与应变片数据反映的波形具有良好的一致性;不同于传统测量方法,DIC能够准确捕捉蒙皮在后屈曲阶段的屈曲模态转换的全过程;利用DIC技术能够对试验不同时间节点(即不同载荷水平)的屈曲模态进行清晰、直观的观测,因而能够较准确地获得结构的屈曲载荷,该载荷与由应变-载荷曲线确定的屈曲载荷相比,误差小于5%。采用ABAQUS有限元软件对试验过程进行了数值仿真分析,并通过与试验结果的对比表明了计算结果、DIC测量结果与传统方法测量结果三者具有良好的一致性。      

脱胶缺陷尺寸对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响

为确定脱胶缺陷对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响,对含不同脱胶缺陷工型筋条的复合材料加筋板进行了压缩试验研究。结果表明,30 mm和50 mm的缺陷对试验件承载能力影响很小,当缺陷尺寸增至80 mm时,试验件后屈曲承载能力明显下降。借助超声检测技术对缺陷的扩展行为进行了监测,结果表明,当压缩载荷达到破坏载荷的85.3%时,预制缺陷的对角位置处出现扩展迹象。通过影像云纹法获得两半波和三半波失稳模态的形成过程。对失稳模态的监测结果还表明,随缺陷长度增加,该型加筋板的失稳模态从三半波向两半波转换。在试验基础上,利用ABAQUS软件建立有限元（FE）模型,依次进行了屈曲及后屈曲过程的数值模拟。屈曲分析用于获得试验件的失稳载荷及模态,在后屈曲分析中将失稳波形以几何扰动的形式引入FE模型,最终计算结果与试验结果基本吻合,表明该模型可以用于复合材料加筋板屈曲及后屈曲性能的预测。     

考虑脱粘的复合材料加筋板屈曲后屈曲及承载能力数值分析

建立了复合材料层合加筋壁板的屈曲后屈曲有限元分析模型。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, 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前后屈曲平衡路径及破坏过程。数值分析结果与实验结果吻合良好, 证明了该方法的合理有效性。详细探讨了筋条尺寸及界面单元强度等参数对加筋壁板屈曲后屈曲行为及承载能力的影响规律, 研究表明增加筋条截面惯性矩及筋条密度在一定程度上能有效提高加筋板的屈曲载荷与极限强度, 筋条密度增加到一定程度会引起结构破坏形式由失稳破坏?湮顾跗苹? 界面强度与铺层方式对极限强度有重要影响, 界面脱粘是引起加筋板最终破坏的重要因素。      

复合材料帽形加筋壁板轴压屈曲与后屈曲性能

针对2种边界条件和3种板元宽度情况,采用几种屈曲方法对轴压载荷作用下的复合材料帽形加筋壁板进行了计算,得到了不同情况下的屈曲载荷,通过对复合材料加筋壁板几种计算方法的计算结果与试验结果的对比,得到一种更简单有效计算复合材料帽形加筋壁板轴压屈曲载荷的方法;依据帽形加筋壁板的结构特点和试验后的破坏模式,提出一种估算复合材料帽形加筋壁板轴压破坏载荷的方法,用该方法在几个项目上的计算结果与试验结果进行比较,发现两者较吻合,验证了复合材料帽形加筋壁板轴压承载能力估算方法的合理性,为结构设计人员在初始设计阶段对复合材料帽形加筋壁板轴压强度评估提供了一种简洁的途径。     

复合材料柱面壳压缩性能分析

对三分之一复合材料柱面壳进行压缩性能试验研究与理论分析, 试验得到柱面壳的破坏方式为屈曲破坏。利用有限元法对其建模分析和静强度分析, 得到的静强度远大于屈曲强度, 因此柱壳应该首先发生屈曲破坏, 这与试验结果相符; 且理论计算所得的屈曲强度与试验结果相符, 说明该模型可以用来分析整个复合材料柱壳的压缩破坏行为, 研究结果可为柱壳的结构设计提供参考。对比某一载荷下理论模型与实际模型上对应点的应变, 发现二者结果相符, 证明有限元建模有效。然后分别对理论模型进行屈曲分析。      

含离散源损伤复合材料加筋板的拉伸特性

通过对含有离散源损伤的复合材料加筋板的拉伸试验和有限元模拟,研究了离散源损伤的损伤扩展与破坏特性。结果表明:复合材料加筋板的离散源损伤用穿透蒙皮切断桁条的切口来模拟是合适的,蒙皮上的穿透切口前端有很高的应力集中,桁条被切断导致加筋板传力路线改变;基于Hashin失效准则的渐进损伤有限元数值模拟方法,可以有效地模拟含切口加筋板的宏观损伤扩展和破坏过程,计算结果与试验值吻合较好。      

Post-buckling behaviour of flat stiffened composite panels: Experiments vs. analysis

The paper is focused on the development of a validated procedure for modelling, by means of Finite Element tools, the post-buckling behaviour of stiffened composite flat panels subjected to compression loads. The experimental data for model validation were collected during a test campaign on two sets of CFRP flat stiffened panels.