弱蜂窝夹层板自然老化后弯曲性能试验和仿真研究

中小型无人机结构设计中大量应用了弱蜂窝夹层板,由于其寿命周期长期处于贮存状态,难以确定结构在长期自然老化后的状态。以弱蜂窝夹层板为研究对象,开展其在长期自然老化后的弯曲性能试验研究。基于Hashin失效准则和刚度退化模型,建立有限元分析模型,深入研究蜂窝芯层和面板在弯曲下的力学响应和失效形式。结果表明:经过长期自然老化,弱蜂窝夹层板的弯曲强度有所提高,且试验数据具有良好的稳定性;其主要失效模式为下面板断裂,与预期一致;数值模拟结果及失效过程与试验吻合较好。

薄层碳纤维斜纹布层压板二次胶接试验研究

将复合材料薄板二次胶接技术应用在小型无人机机翼主承力结构上,对于降低机翼盒段的制造成本具有重要的工程应用价值。采用碳纤维斜纹布制2 mm薄板进行单搭接结构拉剪试验,分析3种不同型号的胶粘剂对该薄板的适配性以及胶层厚度和层压板铺层角度对二次胶接强度的影响,并通过ABAQUS软件进行模拟验证。结果表明:使用SY-23B环氧结构胶,胶层厚度为0.2 mm、铺层方式为[(0/90)]_(8)-[(0/90)]_(8)的结构件,胶接性能最优,结构剪切强度可以达到18.2 MPa,满足小型无人机受力盒段的胶接强度要求,二次胶接成型的机翼受力盒段具有轻质化、低成本的优点。

X-Cor夹层结构的平压性能

通过力学分析得到X-Cor夹层结构平压模量的解析式和计及泡沫对z-pin横向支撑的平压强度预测公式。分析X-Cor夹层结构平压模量的理论值与试验值误差,提出了结构屈曲和z-pin的长度差异引起的刚度折减的修正模型,修正后的夹层结构平压模量的理论值与试验值吻合。理论公式为X-Cor夹层结构的设计提供依据,进而为X-Cor夹层结构新材料在工程领域的应用奠定了基础。

飞艇吊舱的综合优化设计

通过对飞艇吊舱外挂结构特性的分析,以吊舱重量轻和制造成本低为设计目标,在对材料选取、结构布局和结构细节设计等方面进行综合优化设计。并通过有限元分析和静力试验对优化后的舱体结构进行静强度、刚度验证。计算及试验结果表明飞艇吊舱满足强度、刚度设计要求,结构重量比予定重量节省10%,从而可以增加有效任务载荷或减少浮囊体积。

全复合材料轻型飞艇吊舱的设计研究

从总体布局、材料选取、结构设计及载荷分析等方面详细阐述了全复合材料轻型飞艇吊舱的研制。飞艇吊舱是体积较大的外挂结构,从外挂受力特点出发,充分运用了复合材料夹层结构高刚度/质量比的特性,合理地进行结构设计布局,很好地解决了大尺度复合材料结构的刚度问题。通过有限元分析和静力试验对舱体结构进行静强度、刚度验证。计算及试验结果表明全复合材料轻型飞艇吊舱满足强度、刚度设计要求,结构质量比预定质量节省10%,从而可以增加有效任务载荷或减少浮囊体积。

X-Cor夹层结构的平压性能试验

通过对不同的z-pin角度、面板厚度、去除泡沫处理的X-Cor夹层结构试样进行平压性能试验和分析比较,得到其破坏模式及不同设计参数对性能的影响。试验结果表明:X-Cor夹层结构中z-pin和泡沫存在协同增强效应;增大z-pin端部约束和减少z-pin的植入角度能提高平压性能;但z-pin角度为0°的夹层结构平压性能对植入角的角偏差缺陷更敏感,缺陷的存在影响承力性能。

X-cor夹层结构的剪切模量实验与分析

通过力学分析得到考虑Z-Pin拉压受力情况的X-cor夹层结构剪切模量的解析式,并通过剪切刚度实验值和理论值的对比分析,得到考虑刚度折减系数M的修正理论公式。结果表明:加载过程中,Z-Pin从面板拔出是剪切刚度折减的原因。通过缩小Z-Pin长度的差异及提高Z-Pin从面板拉脱力的大小增大剪切刚度折减系数M,进而提高夹层结构的剪切刚度。

X-cor夹层结构的有限元模型

结合有限元模型中对Z-pin的处理方式,提出整体式、组合式以及分离式3种计算模型,分析其适用性及优缺点。在桥联力实验和Z-pin从泡沫拔脱实验研究的基础上,提出分离式有限元模型,引入双弹簧联结单元来揭示Zpin和泡沫及面板之间相互作用的细观机理;其中平行于Z-pin单元接触面的弹簧(刚度)用来模拟计算界面相对滑移和粘接应力,垂直于单元接触面的弹簧(刚度),用于定义层压板、泡沫与Z-pin法向的接触,实现了X-cor夹层结构力学行为和界面失效的有限元仿真计算。

Z-pin增强酚醛复合材料层合板的层间拉伸性能

本文探索研究了Z-pin的植入对酚醛复合材料层合板层间拉伸性能的影响。通过向酚醛复合材料层合板中植入体积分数为0.78%(植入间距5mm×5mm)的石英/酚醛Z-pin,对其进行层间拉伸性能测试,结果表明,随着Z-pin的植入,层合板的层间拉伸性能显著提高,并伴随破坏模式的变化、材料韧性的增加。最后,根据复合材料力学,建立Z-pin增强层合板的简单力学模型,通过桥率试验与层间拉伸试验,对其进行验证和修正,得出Z-pin植入对层合板的层间性能的影响规律。

复合材料在无人机上的应用与展望

复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、易于成形等优点,在国内外各类无人机上得到了广泛的应用。为满足未来无人机的高空、长航时、功能性、经济性等各种高性能需求,低成本制造技术、整体化制造技术和3D打印技术是未来复合材料在无人机上应用的发展趋势。

X-cor夹层结构的剪切性能

通过X-cor夹层结构与相同材料同尺寸的未增强件和去除泡沫的Z-pin夹层结构进行剪切性能试验对比,考察Z-pin对泡沫夹层结构的增强效果.通过剪切刚度和剪切强度试验值和理论值的对比分析研究,得到了修正后的夹层结构剪切刚度和剪切强度理论计算公式.研究结果表明:夹层结构的剪切性能与剪切刚度折减系数M、表征加载过程中Z-pin开始从面板拔出的时间系数T有关,而系数M,T决定于工艺水平.

X-Cor夹层结构的平压模量试验与分析

通过分析X-Cor夹层结构平压模量预测公式的理论计算结果与试验值误差,提出了结构屈曲和Z-pin的长度差异引起的刚度折减的修正模型,并且详细分析X-Cor夹层结构刚度折减的机理;修正后的夹层结构平压模量的理论值与试验值吻合.新的预测公式为X-Cor夹层结构的设计提供依据,进而为X-Cor夹层结构新材料在工程领域的应用奠定了基础.