低速冲击损伤对复合材料帽型加筋壁板压缩失效研究

本文开展了帽型加筋壁板完好试件和损伤试件的压缩稳定性试验,获得压缩载荷下帽型加筋壁板的屈曲载荷、破坏载荷和破坏模式。同时基于有限元软件ABAQUS,采用内聚力模型(CZM)技术模拟复合材料加筋壁板结构筋条-蒙皮粘接界面。模拟结果和试验结果吻合性良好,表明完好试件屈曲后结构仍具有极大地承载能力,胶层脱粘会导致快速的损伤演化,破坏载荷峰值几乎与界面起裂载荷相等;低速冲击损伤试件筋条-蒙皮脱粘极大地降低了壁板结构的屈曲载荷和破坏载荷,并导致结构失效位置发生变化。进一步研究发现截止端斜削角度从10°增加到30°,结构屈曲载荷和破坏载荷均逐渐增加。

基于电路模型的复合材料多钉连接载荷分配新方法

提出了一种新的计算复合材料多钉连接载荷分配方法,即将电路模型应用到复合材料多钉连接结构载荷分配估算中,多钉连接结构中的载荷、柔度和变形分别等效于电路模型的电流、电阻和电压。在新模型中材料的胡克定律转化为电学中的欧姆定律,变形协调方程等效于电学中的电压平衡方程。该方法使复杂的多钉连接模型变成了一些由简单的串联和并联电路组成的简单模型。对n排单列连接结构的电路模型进行分析,总能找到n-1个独立的闭环电压平衡方程和一个电流平衡方程,联立这n个方程就能够计算出各个钉上的电流大小,也就是相应的载荷值。在某些支路上添加恰当的电源,还可以模拟复合材料多钉连接结构的间隙或者过盈量。通过与试验结果对比,发现该方法能较好的预测出复合材料多钉连接载荷分配。

一种预测疲劳后复合材料单钉连接剩余强度的方法

复合材料机械连接件的疲劳问题在飞机结构设计中愈显突出。以复合材料层合板疲劳中刚度退化模型为基础,分析了复合材料单钉连接件在疲劳过程中细观机理,建立了复合材料单钉连接剩余强度预测公式;并开展了CCF300/BA9916-ⅡS复合材料单钉连接疲劳试验。结果表明,公式预测结果与试验结果取得较好的吻合。

复合材料曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的屈曲及承载性能

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的屈曲及承载性能,对7长桁、4框的复合材料曲面帽形加筋壁板进行了试验研究。结果表明,内压能提高复合材料曲面帽形加筋壁板轴压屈曲载荷,联合载荷试验中加筋壁板破坏前无屈曲。以复合材料扁壳线性稳定性理论为基础,采用瑞利-里兹法和Kirchhoff假设得到了复合材料曲面加筋壁板在侧压、轴压、内压-轴压联合情况下的屈曲载荷解析表达式,并针对复合材料曲面帽形加筋壁板的结构特点和破坏模式提出一种在内压-轴压联合载荷下轴压破坏载荷的工程估算方法。将解析表达式和工程估算方法的计算结果与试验结果进行了对比,结果表明,解析表达式和工程估算方法与试验结果吻合,表明轴压、内压-轴压联合情况下的屈曲载荷解析表达式能用于屈曲载荷的预测,工程估算方法结构形式简洁,便于在复合材料曲面加筋壁板的设计中应用。

含预埋缺陷复合材料帽形加筋壁板界面失效研究

本文对复合材料帽形加筋壁板后屈曲破坏过程中粘接面失效问题开展了研究。首先设计并完成了无缺陷、含预埋缺陷的帽形单筋板四点弯曲试验以表征加筋壁板典型区域的后屈曲失效;然后基于数值模拟方法,利用内聚力模型(CZM)对无缺陷和含预埋缺陷试件弯曲受载时的界面脱黏进行了渐进破坏分析。结果表明:采用cohesive单元和考虑厚度方向压缩影响的层间失效准则方法建立有限元模型可以很好地模拟复合材料加筋结构界面脱黏;凸缘-蒙皮预埋缺陷对帽形加筋壁板起裂载荷基本没有影响,筋条内角和填充区界面预埋缺陷会显著降低帽形加筋板的承载能力,但起始裂纹均发生在筋条内角和填充区的粘接界面。

夹芯复合材料π型接头失效实验研究

针对夹芯复合材料π型接头的拉伸和侧弯承载能力以及连接需求,并充分考虑温度的影响,设计了复合材料π型胶结接头,对其在上述两种载荷工况下分别进行了常温、低温、高温干态三种环境试验。分析π型接头失效过程:三角填充区为夹芯复合材料π型接头最薄弱部位,容易发生破坏,并决定结构承载能力;拉伸载荷下夹芯复合材料π型接头承载能力明显高于侧弯载荷;夹芯复合材料π型接头对低温不敏感,对高温较为敏感。

机身壁板剪切工程算法及试验验证

本文针对机身壁板中蒙皮和长桁布置结构优化问题,考虑蒙皮厚度、蒙皮曲率、长桁形式以及长桁间距对机身壁板剪切稳定性的影响,分别设计加工了3类不同蒙皮曲率、宽度的试件和试验装置,并完成验证试验。应用工程算法对机身壁板进行计算,并与试验结果进行对比,结果表明,工程算法和验证试验结果吻合较好,蒙皮曲率、长桁结构形式和长桁间距对机身壁板剪切屈曲有一定的影响,蒙皮厚度对机身壁板剪切屈曲有较大的影响。

复合材料加筋壁板长桁凸缘变厚度设计对长桁-蒙皮界面承载能力的影响

长桁与蒙皮之间的脱胶是复合材料加筋壁板主要的失效形式之一。首先对复合材料机翼结构长桁-蒙皮典型结构进行了三点弯曲试验,获得破坏载荷以及界面失效模式。然后基于ABAQUS建立三维有限元模型,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况。有限元计算结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的合理性。在此基础上,对长桁凸缘宽度方向采用渐变厚度设计,开展了其对长桁-蒙皮界面承载能力的影响分析。研究结果表明采用变厚度设计可以减缓长桁凸缘末端附近的刚度突变,降低长桁凸缘末端与蒙皮之间界面的面外载荷。凸缘变厚度设计可以有效避免长桁与蒙皮界面过早出现脱胶失效,长桁凸缘末端越薄,界面脱黏载荷越大。

复合材料层合板单钉双剪连接挤压强度的一种工程估算方法

将上限理论应用到复合材料层合板单钉双剪连接挤压强度分析中,把连接结构的位移场划分为动态区域(层合板)和静态区域(紧固件),并认为失效发生在位移可动场和不动场之间的钉孔边受挤压部分。由于受挤压孔孔边各层应力状态不一样,受挤压孔边各层的失效区域和失效模式也各不相同。从宏观上研究复合材料层合板单钉连接孔边的失效区域和失效模式,结合上限理论提出了一种估算复合材料单钉连接挤压强度的工程算法。通过与试验结果对比,发现该方法能较好地预测出复合材料单钉双剪连接挤压强度。

机械连接中钉的轴力和剪切力测量传感器

对机械连接中测量钉的轴力的各种测试方法进行总结,对复合材料多钉连接中钉载的多种测试方法进行分析,提出了一种能同时测量钉的轴力和剪切力的传感器。根据钉的受力情况和材料力学理论推导出钉的轴力和剪切力的计算表达式。设计了传感器的轴力和剪切力的两套测试装置,分别进行了轴力和剪切力的测试试验。对传感器测试结果的载荷-应变曲线的线性度、重复性进行了分析研究。测试结果表明:传感器的载荷-应变曲线具有良好的线性度和重复性,能满足工程上对测量传感器的技术要求。同时通过测试也发现,传感器的安装角对轴力和剪切力的测量结果无影响;安装紧力矩对剪切力的测量结果有影响,但随着外载的增大,影响会逐渐减小。

机械连接中钉的轴力和剪切力测量传感器

本文对机械连接中测量钉的轴力的各种测试方法进行总结,对复合材料多钉连接中钉载的多种测试方法进行分析,提出一种能同时测量钉的轴力和剪切力的传感器。根据钉的受力情况和材料力学理论推导出钉的轴力和剪切力的计算表达式。设计传感器的轴力和剪切力的两套测试装置,分别进行轴力和剪切力的测试试验。对传感器测试结果的载荷-应变曲线的线性度、重复性进行分析研究。测试结果表明:传感器的载荷-应变曲线具有良好的线性度和重复性,能满足工程上对测量传感器的技术要求。同时通过测试也发现,传感器的安装角对轴力和剪切力的测量结果无影响;安装紧力矩对剪切力的测量结果有影响,但随着外载的增大,影响会逐级减小。

复合材料曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的屈曲及后屈曲承载性能

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的屈曲及后屈曲承载性能,对7长桁、4框的复合材料曲面帽形加筋壁板进行了试验研究。结果表明,内压能提高复合材料曲面帽形加筋壁板轴压屈曲载荷,联合载荷试验中加筋壁板破坏前无屈曲。以复合材料扁壳线性稳定性理论为基础,采用瑞利-里兹法和Kirchhoff假设得到了复合材料曲面加筋壁板在内压、轴压、内压-轴压联合情况下的屈曲载荷解析表达式,并针对复合材料曲面帽形加筋的结构特点和破坏模式提出一种在内压-轴压联合载荷下轴压破坏载荷的工程估算方法。并将解析表达式和工程估算方法的计算结果与试验结果进行对比。结果表明.解析表达式和工程估算方法与试验结果吻合,表明内压、轴压、内压-轴压联合情况下的屈曲载荷解析表达式能用于屈曲载荷的预测,工程估算方法结构形式简洁,便于在复合材料曲面加筋壁板的设计中应用。