帽型加筋机身曲板后屈曲设计研究

复合材料加筋壁板结构广泛应用于现代飞机中,此类结构在工作状态下容易发生屈曲。大量试验表明,飞机复合材料加筋薄壁结构具有可观的后屈曲承载能力。提出了含内包层和无内包层帽型加筋机身曲板设计方案,使用Abaqus计算了有内包层和无内包层两种曲板在轴压载荷、纯剪切载荷、压剪复合载荷下的屈曲载荷、承载能力以及破坏模式。模型中使用蔡-吴准则作为复合材料的失效判据,损伤演化采用子程序Usdfld实现。分析发现,帽型筋条的内包层可以显著提高结构的后屈曲承载能力,延长结构的后屈曲历程。

Buckling and post-buckling behavior of titanium alloy stiffened panels under shear load

Titanium alloy has been increasingly applied in aviation industry due to its superior performance. However, the titanium alloy structures are less studied. This work investigates the structural behavior of Ti6Al4V titanium alloy stiffened panels under in-plane shear load by experiments and numerical analysis. After the shear tests, the buckling instability, the post-buckling process and the failure mechanism of the specimen were obtained. The Finite Element(FE) models were established with the subsequent validation verification. A parametric analysis was implemented to study the influence of stringer thickness and stringer height on the behavior of the stiffened panels. The results show that after the initial local buckling on the skin, the buckling mode jumps several times with the increase of load. The stringers twist when the load reaches a certain level, and finally the structure damages due to the plastic deformation and the global buckling. The shear clip has little effect on the buckling and failure loads. Compared to the relatively large effect on the buckling load, the influence of the stringer thickness and stringer height on the failure load is neglectable.According to the parametric analysis, the stringer thickness influences the final buckling mode and failure mode, while the stringer height affects the buckling mode transformation.

复合材料共胶接帽形长桁加筋壁板的固化变形研究

以五长桁加筋壁板为对象研究帽形长桁加筋壁板的固化变形。采用三坐标仪测量了帽形长桁固化后外形,并对其固化变形进行了有限元仿真,长桁截面方向存在回弹变形,长度方向存在扭转变形。测量了帽形长桁固化后和加筋壁板固化后帽形长桁的高度和宽度,帽形长桁高度降低约0.5 mm,宽度增大约2 mm,帽形长桁存在压塌变形,有限元仿真结果与试验结果变化趋势一致。采用激光跟踪仪测量了加筋壁板的外形,加筋壁板沿垂直长桁长度方向存在明显弯曲变形,最大为12.9 mm,且仿真结果与试验结果一致。经过分析可知,帽形长桁扭转变形和压塌变形导致了帽形长桁加筋壁板的固化变形。

复材加筋壁板自动化成型及共固化技术研究

当前,针对复合材料加筋壁板数字化及自动化技术应用的需求日益迫切。采用自动铺带、热隔膜预成型和自动翻转等多项技术,对一体化T形长桁加筋壁板自动化成型技术开展了相关研究,并对工装结构形式、工艺参数、共固化成型等工艺方案的可行性进行了验证,最终以典型民用飞机尾翼壁板的制造为例,证明了所提出的自动化成型技术的有效性,为国内民用飞机自动化成型技术的工程化应用提供了有益参考。

变厚度帽型长桁加筋壁板自动铺丝工艺成形技术研究

针对帽型长桁加筋壁板的自动铺丝工艺成形技术进行了研究,并提出了帽型长桁加筋壁板各工序的关键工艺参数,通过研究自动铺丝设备的结构设计和控制系统设计,探究了帽型长桁加筋壁板的自动铺丝成形工艺,明确了自动铺丝间隙控制和工艺参数设计的基础,为帽型长桁加筋壁板的自动铺丝工艺成形技术的研究形成了一定的技术积累,具有较好的应用前景和经济效益。

复合材料加筋板长桁终止端设计与分析

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、机翼的前后梁附近及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都会造成端头处的应力集中,极易引起缘条/蒙皮界面的脱胶。为了延缓长桁末端的缘条/蒙皮界面的起裂,提高长桁终止端结构的失效载荷,采用经试验验证的数值方法,对长桁末端腹板斜削设计及长桁末端蒙皮增厚设计进行了研究。结果表明,蒙皮增厚设计可以明显提高结构的起裂载荷。

屈曲模态对含缺陷复材加筋板后屈曲的影响

某些结构类型的复合材料加筋板,由于一阶和二阶屈曲载荷十分接近,在压缩失稳时,相同的试验件会出现不同的失稳模态,并表现出明显不同的后屈曲承载能力.就此问题,进行了试验和数值模拟研究.轴压试验中,通过影像云纹法和超声C扫技术监测试验件的失稳模态及缺陷扩展情况,以确定不同失稳模态对相同试验件后屈曲承载能力的影响.基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT,Virtual Crack Closure Technology)模拟含预置脱胶缺陷的筋条-蒙皮界面,将失稳波形以几何扰动的形式引入后屈曲分析.通过分析缺陷前缘应变能释放率,研究两种模态下缺陷扩展特性.计算结果与试验结果相吻合,研究表明两种模态下缺陷的扩展特性明显不同,导致该型加筋板在3个半波失稳模态下的后屈曲承载能力明显高于2个半波模态下的后屈曲承载能力.

长桁与蒙皮脱粘对复合材料加筋板承载能力影响分析

复合材料结构在制造和使用过程中,难免产生分层损伤,这些损伤都会在不同程度上影响结构的承载能力。针对复合材料加筋板,采用有限元动态显式分析方法,分析长桁与蒙皮脱粘面积对加筋壁板结构屈曲和后屈曲承载能力的影响。在ABAQUS商业化有限元分析软件及其二次开发平台上,利用用户自定义材料(VUMAT)的方法对材料性能进行连续衰减,实现加筋板轴压载荷作用下的渐进式失效分析。建立了脱粘面积与结构承载能力之间的关系,研究结果可为合理制定复合材料构件缺陷验收标准和结构修理容限提供分析依据。

加筋壁板长桁凸缘侧向稳定性设计与研究

研究加筋壁板在轴向压缩载荷作用下长桁凸缘的侧向稳定性。结合加筋壁板强度和刚度设计因素,对长桁凸缘的侧向屈曲临界载荷进行分析,并提出长桁支撑件的刚度设计指标计算方法,为工程设计人员提供指导以提高设计效率。

复合材料加筋板后屈曲快速计算方法研究

为了提高使用材料的稳定性和有效性,针对航空航天飞行器中的典型结构复合材料加筋曲板的屈曲及后屈曲问题,根据等效宽度法的解析表达式,提出了一种快速计算方法,用MATLAB实现了屈曲临界载荷的数值解。改进方法与参考文献试验结论和有限元仿真有很好的一致性。研究了筋条高度变化对扭转刚度、弯曲刚度的影响,以及筋条高度与极限载荷、等效宽度之间的关系,为加筋板的实际工程开发和应用提供了便捷方法。

T型加筋壁板共固化技术研究

在系统梳理加筋壁板共固化工艺的基础上,以T型加筋壁板为研究对象,针对压力传导不均匀、蒙皮凹陷、内部质量控制等问题,通过改进长桁制造工艺、优化预压实参数、调整芯模配合方式、简化长桁定位方式等措施,进一步完善了T型加筋壁板共固化工艺的技术细节。所得制件表面平整、内部质量好、长桁轴线度准确。

船体复合材料帽型加筋板渐进破坏分析

复合材料加筋板复杂的破坏过程与失效形式增加了应用难度。以面外均布载荷与面内压缩联合作用下的夹芯复合材料帽型加筋板为研究对象,在通过试验结果验证非线性有限元方法准确性的基础上,基于复合材料的hashin准则与胶层界面的最大应力准则展开渐进破坏分析,讨论了极限载荷、破坏模式及失效机理。采用有限元子模型技术对中段破坏区域建模,基于Shokrieh-Hashin准则进行局部破坏分析,讨论蒙皮的铺层损伤规律。结果表明:加筋板呈整体一阶屈曲破坏,极限载荷为316.8 kN;壁板下蒙皮的纤维压缩失效是导致加筋板整体破坏的原因;各铺层的面内失效规律基本相同,蒙皮的纤维压缩失效从外层逐渐向内层扩展,且扩展速率逐渐降低。

侧边约束对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响

对侧边受到简支约束和固支约束的复合材料工型加筋板进行轴压试验和数值模拟,研究侧边约束对加筋板屈曲及后屈曲特性的影响,并进一步探讨分析结构破坏机理。轴压试验中使用影像云纹实时监测加筋板失稳模态,数值模拟基于ABAQUS使用Hashin层内失效准则和界面单元模拟脱粘建立有限元模型。计算结果与试验结果相吻合。研究表明不同侧边约束下加筋板具有相似的失稳模态和破坏模式,尽管侧边固支加筋板失稳载荷高于侧边简支加筋板,但其承载能力并无明显提高;加筋板结构承载主要由筋条决定,而筋条蒙皮大面积脱粘发生在结构失效之后。

T型长桁加筋壁板胶层厚度的影响因素研究

胶层厚度对加筋壁板胶接强度至关重要。以四筋T型长桁加筋壁板为对象,采用三坐标机测量了T型长桁的回弹变形,对壁板进行胶接面剖切观察并测量了胶层厚度,研究了T型长桁回弹变形、缘条宽度和缘条边缘倒角对加筋壁板胶层厚度的影响。同时,采用有限元软件ABAQUS对T型长桁回弹变形和缘条受压变形进行了仿真计算。结果表明,本试验中的T型长桁的回弹变形约0.4°~0.5°,回弹变形对胶层厚度具有明显影响。当缘条宽度22mm时,长桁边缘到长桁腹板胶层厚度呈现由厚再到薄的变化趋势;当缘条宽度73 mm时,长桁边缘到长桁腹板胶层厚度呈现由薄到厚再到薄的变化趋势。长桁边缘倒角可以有效地改善长桁边缘附近的胶层厚度,避免该位置由于蒙皮褶皱导致的胶层厚度突变,进而提高胶接质量。在实际零件研制过程中,可以从以上几个方面进行控制,改善胶层厚度,保证零件胶接强度。

复合材料帽形长桁加筋曲板的自动化相控阵超声检测技术研究

采用基于脉冲反射模式的自动化相控阵超声检测技术,对复合材料帽形长桁加筋曲板结构进行自动化检测研究。分别针对曲面蒙皮和帽形长桁R角结构,选取不同探头、不同频率、不同聚焦方式,开展相控阵自动化检测仿形、C扫描成像及缺陷判定。结果表明,采用超声仿形测量的方法实现曲面蒙皮的自动化检测,能够检测出最小达Φ3 mm的缺陷;针对帽形长桁R角结构特点制定特殊的R角水靴,实现R角的自动化相控阵检测。

Ω型长桁加筋壁板记忆芯模共固化技术研究

复合材料机身Ω型长桁加筋壁板通常采用共固化工艺成型,在壁板共固化成型过程中,Ω型长桁内腔需填充芯模。芯模在铺放过程中需要有足够的刚性,以抵抗蒙皮自动铺丝过程中的压力;而芯模在固化过程中又要有足够的弹性,能够将热压罐的压力均匀的传递给长桁内腔。在壁板成型各个阶段,如何控制芯模不同的刚度特性是壁板共固化成型技术的关键。本文探索一种记忆芯模,该芯模在室温下表现为刚性特性,在高温下表现为弹性特性。搭建芯模承压测量系统,精确测量芯模在自动铺放压力作用下的最大变形量为0.89mm;搭建芯模传压测量系统,精确测量芯模在固化过程中的传压效率为80%-97%。此外,基于记忆芯模方案,探索Ω型长桁加筋壁板成型工艺过程,制造加筋壁板试验件,并对其外观、无损、厚度及金相进行检测,得到试验件的质量满足要求。

复合材料帽型加筋壁板的失效机制分析与改进设计

为了准确预测复合材料帽型加筋壁板的后屈曲承载能力,针对压缩载荷下筋条端头斜削的复合材料帽型加筋壁板结构的失效机制及失效载荷进行了研究。首先利用物理试验,研究了端头斜削的复合材料帽型加筋壁板失效过程,然后构建了考虑蒙皮/缘条胶接界面以及复合材料层板失效的非线性损伤分析模型,详细地研究了损伤起始、扩展和失效的全过程。在此基础上,提出了包覆层对蒙皮/缘条界面进行增强的设计方案,并基于数值仿真和试验研究了包覆层对复合材料帽型壁板的破坏模式和承载能力的影响。数值分析和试验结果表明,包覆层设计能够明显提高结构的屈曲载荷和后屈曲承载能力,分析结果与试验值吻合良好,且预测的破坏模式也与试验结果一致。

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。

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。

复合材料加筋壁板结构选型设计

为确定某型飞机平尾壁板结构截面尺寸参数,验证计算分析方法是否合理、有效,通过有限元屈曲分析与试验相结合的手段,对复合材料加筋壁板轴压稳定性进行研究。研究了复合材料加筋壁板在相同支持条件下,提高加筋壁板筋条截面积占总截面积的比例对复合材料加筋壁板初始屈曲和承载能力的影响。试验结果表明:试验结果与计算结果较为接近,说明计算中采用的分析方法和分析模型准确有效;在筋条截面积比例提高3.0%的情况下,屈曲载荷提高10.0%左右。所得结论可指导复合材料加筋壁板设计在型号研制中的应用,为初步确定平尾壁板结构截面形式和尺寸提供参考。