含开孔与含裂缝的复合材料层压板拉伸剩余强度评估

为研究含开孔和裂缝的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层压板在拉伸载荷作用下的剩余强度,针对四种典型铺层、两类损伤形式、四种损伤尺寸的约200件试验件进行了试验研究。结果表明:对于具有相同铺层、相同宽度的复合材料层压板,开孔直径与裂缝长度相等时,两类层压板有相同的剩余强度;加载过程中,裂缝根部较早出现裂缝、分层,应力重新分配,降低了裂缝根部的应力集中。基于损伤区纤维断裂判据、经典层压板理论及复变函数理论的强度计算方法能较准确地计算出含开孔的复合材料层压板剩余强度;计算含裂缝复合材料层压板剩余强度时可将裂缝损伤等效为开孔损伤,计算结果与试验结果吻合较好。

复合材料加筋单元初始分层损伤参数影响分析

复合材料加筋结构在制造过程中往往会存在不同形式的初始分层损伤,这些初始分层损伤都会在不同程度上影响结构的承载能力。采用两种本构关系的粘接元模拟粘接良好界面和分层界面胶膜。并对含不同损伤面积、不同损伤形状、不同损伤位置的加筋单元进行了面外拉伸分析,得到了剩余强度与损伤参数之间的关系。对于复合材料的损伤与失效,采用了Cuntze失效准则及Puck刚度退化模型,较好的模拟了复合材料失效及刚度退化过程。模拟结果和试验结果吻合较好,证明了算法的有效性。

复合材料失效判据有效性验证方法研究

为系统地验证复合材料失效判据计算精度和有效性范围,给出了4种材料体系、6种铺层形式的层合板在单轴、双轴载荷下的失效试验数据,用以评估复合材料失效判据在单向层合板失效包线、多向层合板初始失效包线、多向层合板最终失效包线、层合板变形及层合板的破坏特性等五个方面的预测能力。并根据验证方法和有效性评估策略对失效判据计算精度进行量化考核,给出了失效判据在五个层面上的计算精度。

缝线对不同刚度复合材料T形接头面外拉伸承载能力影响研究

由于复合材料结构层间力学性能较差,结构设计人员往往采用缝线来增强结构的面外拉伸承载能力,但缝线的存在引起基体材料不连续,纤维局部弯曲等问题,导致层合板面内刚度及强度下降。通过试验研究了缝线对不同刚度复合材料T形接头的面外承载能力的影响,验证了T形接头蒙皮面外抗弯刚度较小时缝线不但无法增强其面外拉伸承载能力,反而会降低其承载能力,接头蒙皮面外抗弯刚度较大时缝线会提高T形接头面外承载能力,并根据试验结果给出结构设计建议,为复合材料接头缝线设计提供了试验依据。

纤维能量释放率对开孔层压板承载能力影响研究

在航空领域,为了分析复合材料层板破坏行为,工程技术人员往往基于Abaqus有限元复合材料分析平台,建立复合材料层板有限元破坏分析模型。文章系统地研究了纤维增强的体能量释放率绝对层压板初始破坏和最终破坏载荷的影响,给出了参数设置建议。

基体能量释放率对开孔层压板承载能力的影响研究

文章针对复合渐进损伤分析中能量释放率对计算结果的影响进行系统的研究。数值试验结果显示,基体的能量释放率对复合材料结构的初始破坏载荷有较大影响;对结构最终破坏载荷影响不显著。根据数值试验结果对基体能量释放率影响机理进行阐述。研究结果可为复合材料计算分析提供理论指导,为参数设置提供依据。

典型复合材料整体化壁板结构刚度研究

由于复合材料耦合作用及结构中材料的不连续,复合材料整体化壁板在面内拉伸和剪切载荷作用下会发生面外的变形,从而影响壁板面内变形的测试。采用数值分析和试验的方法研究了三种复合材料整体化壁板的刚度,建立整体化壁板面内刚度测试方法,提出了壁板描述面内变形的表征参数。结果表明:三种壁板中带筋条的壁板剪切刚度最大,普通的层压板拉伸刚度最大。

复合材料加筋板剪切屈曲与后屈曲承载特性

采用试验、工程算法及有限元方法研究了复合材料加筋板剪切性能。首先进行了剪切试验,试验结果表明:加筋板失效模式为筋条脱粘、蒙皮局部破损,加筋板的破坏载荷是屈曲载荷的1. 14倍。然后,对工程算法进行修正,提出了一种计算屈曲载荷的快速分析方法;工程算法得到的屈曲载荷相对误差为3. 53%。最后,建立了有限元模型,模型考虑了试验件与夹具的连接;通过有限元方法得到的屈曲载荷、屈曲模态及破坏模式与试验结果一致;与试验相比,屈曲载荷、破坏载荷的相对误差分别为2. 21%、14. 4%。

开口尺寸和铺层比例对复材层合板压缩性能的影响

为研究开口尺寸和铺层比例对复材层合板压缩性能的影响,对三种开口尺寸和铺层的复合材料层合板进行压缩实验,并采用电阻应变计测量开口区应变。结果表明:开口尺寸越大,0°层比例越低,孔边应变水平越高,而应变分布梯度更小,从而大开口复合材料层合板的压缩强度值越低。随后,基于Puck失效准则,建立大开口复合材料层合板的渐进损伤分析模型,对层合板压缩失效过程进行模拟。数值模拟得到的孔边应变分布以及压缩强度与实验结果吻合良好,建立的数值分析模型能够比较有效地预测含大开口的复合材料层合板的压缩性能。

铺层和尺寸对含孔复材层板拉伸性能的影响

基于断裂面失效理论,建立了含孔复材层板渐进损伤数值分析模型。纤维失效后将损伤区的刚度直接折减为原来的0.01%;纤维间失效后基于能量释放率对损伤区的材料性能进行线性软化;同时,模型还考虑了剪切非线性效应对失效分析的影响。随后,模拟了不同孔径、铺层的含孔复合材料层合板的拉伸失效过程,并通过物理试验进行了验证。验证结果显示计算误差小于10%,且预测的失效模式与试验结果一致。最后,讨论了铺层、结构尺寸对含孔层合板破坏模式和强度的影响。同一孔径下,不同铺层的层合板破坏模式相近;同一铺层下,孔径与宽度比一定时,拉伸强度随孔径的增大而迅速减小。

起落架缓冲器自动变行程技术研究

为模拟起落架的真实受载情况,在进行起落架疲劳试验时,一般要求进行变行程的疲劳试验。本文设计了一种变行程的自动控制方案,在起落架缓冲支柱安装位移传感器,采用两个作动筒推拉的方式实现缓冲器的充油和放油。设计试验对此方案进行了验证,结果表明该方案可行,其控制精度在1%以内。该方法已推广应用于正式试验中。

不同环境下J299胶膜胶接接头试验研究

在3种不同的环境下,分别进行了两种不同纤维(T700/ZT7H)制备的单搭接接头的拉伸剪切性能试验,研究了不同环境对J299胶膜胶接接头剪切强度的影响。试验结果表明:T700和ZT7H胶接接头在ETW(高温湿态)环境下的剪切强度均值约为RTD(常温干态)环境的78%和79%,在CTD(低温干态)环境下的剪切强度均值约为RTD环境的1.11倍和1.04倍。在RTD、CTD和ETW的环境下,ZT7H胶接接头剪切强度分别是T700胶接接头强度的1.32倍、1.23倍和1.34倍。

大型飞机机身曲板多轴载荷试验技术研究

根据大型运输机及客机机身壁板结构静力分析与耐久性和损伤容限试验技术需求,研制了一套能够为机身壁板施加多轴载荷的试验系统（FPTS）。该系统由轴向载荷施加组件、剪切载荷施加组件、气压载荷及环向平衡载荷施加组件构成,既能为机身曲板施加单一载荷,同时又能实现多轴载荷协调加载,解决了多轴载荷施加边界约束的相互干涉与耦合问题。试验结果表明,单轴载荷试验应变数据均匀,多轴载荷试验应变满足结构在小变形下的叠加原理。上述试验结果可为机身静强度及疲劳强度设计提供数据支持。

复合材料机身壁板的强度分析与试验验证

复合材料在大型客机机身主承力结构应用是近年来的发展趋势,通过分析与大型壁板试验结合的方式研究了复合材料机身壁板的静力承载能力,以及疲劳与损伤容限特性。采用理论公式、半经验公式、有限元模态分析研究了蒙皮的屈曲载荷、壁板的承载能力。依靠创新的机身壁板多轴载荷试验系统,模拟机身壁板的实际受载情况,实现充压载荷、拉伸/压缩、剪切载荷的独立施加与组合施加。通过静力试验验证蒙皮屈曲的工程及有限元分析方法和壁板的剩余强度承载分析方法。引入预埋缺陷、BVID、VID冲击损伤,通过试验研究了损伤对应变分布的影响,并通过疲劳、损伤容限试验,验证了壁板的设计以及损伤的无扩展特性。

飞机壁板复杂载荷试验技术

壁板试验是飞机积木式验证过程中的重要组成部分,但由于壁板结构的复杂受力,在进行壁板性能试验时需综合考虑实际载荷形式与边界约束,而复杂载荷试验技术是模拟飞机壁板结构真实受力与支持状态的重要手段。国内外研究人员和机构开展了大量的壁板试验技术和试验装置的研究与研发工作,有效地降低了试验验证成本、缩短了飞机研制周期,有利支撑了飞机结构的设计与验证工作。本文从民用飞机壁板结构受力状态分析出发,分别对国内外飞机壁板复杂载荷试验技术进行了综述和分析,主要包括平直壁板的压剪复合试验技术、曲板剪切/气密及轴向拉/压等复合载荷试验技术,以及联合载荷施加过程中的防耦合、防干涉等问题,同时评述了各类试验装置载荷施加方法及其优缺点,重点对代表壁板试验技术先进水平的三套曲板试验装置进行了分析和评述。最后对飞机壁板复杂载荷试验技术的发展现状做了总结和展望。

含开孔与含裂缝的复合材料层压板拉伸剩余强度评估

为研究含开孔和裂缝的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层压板在拉伸载荷作用下的剩余强度,针对4种典型铺层、2类损伤形式、4种损伤尺寸的约200件试验件进行试验研究。结果表明,对于具有相同铺层、相同宽度的复合材料层压板,开孔直径与裂缝宽度相等时,两类层压板有相同的剩余强度;加载过程中,裂缝根部较早出现裂缝、分层、应力重新分配,降低裂缝根部的应力集中。基于损伤区纤维断裂判据、经典层压板、理论及复变函数理论的强度计算方法能较准确的计算出含开孔的复合材料层压板剩余强度;计算含裂缝复合材料层压板剩余强度时可将裂缝损伤等效成开孔损伤,计算结果与试验结果吻合较好。

复合材料分层缺陷数值模拟方法

复合材料加筋结构往往存在一定的初始分层缺陷，初始分层缺陷的数值模拟较为困难。若将分层两侧子板定义为接触关系，模型收敛速度很慢。若将分层缺陷挖空，则在数值模拟过程中，分层两侧的子板会发生相互嵌入的现象。本文参考相关文献，建立了一种特殊本构关系的粘接元，该粘接元仅有法向抗压刚度，没有法向抗拉和面内剪切刚度，很好地克服了数值计算中出现子层相互嵌入的现象，并提高了模型计算时的收敛速度。

典型复合材料整体化壁板结构刚度研究

由于复合材料耦合作用及结构中材料的不连续，复合材料整体化壁板在面内拉伸和剪切载荷作用下会发生面外的变形，在测量壁板面内刚度时，不能采用常规的应变计方法。本文采用数值分析和试验的方法研究了三种复合材料整体化壁板的刚度，建立整体化壁板面内刚度测试方法，提出了壁板描述面内变形的表征参数。结果表明：三种壁板中带筋条的壁板剪切刚度最大，普通的层压板拉伸刚度最大。

复合材料胶接贴补参数分析与胶接缺陷影响研究

本文对贴补修理时可能存在的胶层缺陷问题，提出了“三维实体一弹簧元”的建模思想，利用弹簧元来模拟胶层的粘附界面，可以方便地模拟胶层可能存在的缺陷形式。基于“三维实体一弹簧元”有限元模型，对贴补修理结构进行了修补参数影响分析，并研究了缺陷位置、面积等缺陷参数对贴补修理效果、破坏模式的影响规律。研究结果表明：（1）补片直径取为孔径的3倍左右、厚度取为母板的50％左右时能取得较好的修理效果；（2）当存在胶接缺陷（尤其是缺陷均匀分布）时会降低修理效果，影响破坏模式。