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。     

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...     

含脱粘损伤的复合材料加筋板压缩破坏渐进损伤数值分析

本文提出了基于连续损伤力学的复合材料层合加筋壁板渐进损伤分析模型。该模型采用界面单元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准则和Hashin准则作为失效判据,基于内嵌连续损伤状态变量的材料刚度退化方案,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破坏过程,分析了结构相应失效模式的细观失效机理。数值分析结果与实验数据吻合较好,证明该方法的合理性和有效性,并详细探讨了界面单元关键参数和层板铺设角度对加筋壁板结构力学响应的影响规律,得到了一些富有价值的结论。     

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。     

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%。     

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。     

复合材料整体加筋板轴压后屈曲失效表征

应用商业有限元软件ABAQUS中的内聚单元,对后屈曲诱发的复合材料整体加筋板的缘条/蒙皮界面的失效进行了分析。基于有限元结果,提出了缘条/蒙皮界面内力的提取方法并研究了其变化规律。为了研究缘条/蒙皮刚度比对界面失效的影响以及失效时界面内力之间的关系,以缘条厚度为参数进行参数化建模,给出了界面脱胶的失效准则和失效包线。最后对缘条/蒙皮厚度比和刚度比提出了设计建议。     

复合材料整体加筋板轴压后屈曲的传载机制

研究了复合材料整体加筋板在轴压作用下的后屈曲传载机制: 采用商业有限元软件ABAQUS建立加筋板有限元模型, 对其轴压后屈曲过程进行了模拟; 并对局部屈曲和总体屈曲阶段的内力情况以及传载特性进行了细致的分析, 获得了节点线与反节点线的合力和力矩的分布规律。计算结果与试验数据吻合良好。最后指出了节点线与反节点线是后屈曲阶段缘条/蒙皮界面最先可能失效的位置, 并指出了诱发失效的主要原因分别为合力矩M_xy和M_y。      

复合材料整体加筋板轴压后屈曲失效评估方法

在飞机结构设计中,为高效完成复合材料加筋板结构设计,亟需一种快速有效的复合材料整体加筋板后屈曲失效评估方法。采用商业有限元软件ABAQUS建立了加筋板有限元模型,研究了复合材料整体加筋板的轴压后屈曲失效评估方法,即“整体-局部”法。通过对单筋条壁板后屈曲的失效分析发现,“整体-局部”法可得到初始脱胶时的位移和载荷值以及较准确的破坏载荷值,是一种能有效确定加筋板后屈曲失效情况的快速评估方法,对提高结构设计效率和减轻飞机结构质量具有重要的工程意义。     

压缩载荷下复合材料整体加筋板渐进损伤非线性数值分析

建立了考虑脱粘的复合材料整体加筋板渐进损伤有限元分析模型。该模型采用界面单元模拟筋条与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准则和Hashin准则作为失效判据, 基于ABAQUS软件, 建立了含连续损伤状态变量的材料刚度退化方案。基于该模型, 采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下复合材料整体加筋壁板在考虑初始几何缺陷时的破坏过程, 分析了结构相应失效模式的细观损伤机制; 详细讨论了轴向刚度比对结构承载能力及破坏模式的影响。结果表明: 考虑脱粘损伤的有限元模型能有效模拟加筋板的破坏过程; 在加筋板铺层设计合理的情况下, 增加筋条与壁板刚度比能有效提高加筋板截面单位面积的承载能力。      

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。     

多损伤复合材料加筋壁板高周疲劳特性及剩余压缩强度

为研究常用于飞机垂尾的复合材料加筋壁板的冲击疲劳特性,设计了该型加筋壁板多点冲击试验、高周疲劳试验及剩余压缩强度试验。讨论了不同冲击能量对筋条边缘冲击损伤的影响,及施加低应力水平的疲劳载荷后各冲击损伤区域的扩展情况,对比分析了疲劳对冲击后剩余压缩强度的影响。结果表明:40J能量冲击后的损伤面积和凹坑深度较大,C扫描损伤形貌很不规则。100万次低应力疲劳后主损伤区附近衍生出新损伤,导致压缩破坏时产生向上、下夹具扩展的裂痕。该型加筋壁板疲劳后破坏载荷保持率为95.6%,有较好的抗冲击疲劳能力,为加筋壁板耐久性及后屈曲设计提供了思路。     

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。