先进复合材料格栅结构与大型飞机

复合材料低成本制造技术是先进复合材料格栅结构能否广泛应用的关键。目前,以混合工艺法、模具膨胀工艺和拉挤-互锁及其增强改进工艺为代表的工艺方法已经取得较大的成功和应用,我们应该继续研究可靠性高、可重复性强和自动化的成型工艺方法,引进和发展大型AGS结构的自动化生产设备。

偏置椭球冠状先进复合材料后压力框格栅结构方案

本文研究了偏置椭球方程,改变相关参数可得到不同尺寸和形状的后压力框,得到了一种偏置椭球冠状后压力框外形的确定方法。由某型飞机的尺寸相关要求确定后压力框的外形,采用有限元法对此种形式的后压力框进行内压作用下的应变分析以及外压作用下的稳定性分析,采用局部壳体稳定性分析的研究方法确定加筋基本方案,并对格栅加筋后的后压力框进行外压下稳定性分析,考虑不同加筋形式的影响,最终得出较优的格栅加筋结构方案。

椭球状先进复合材料后压力框格栅结构方案

采用非线性有限元法分析均布外压作用下先进复合材料椭球壳不同位置、不同区域大小的结构屈曲和后屈曲行为,讨论了底直径、曲率半径、边界条件和弯曲刚度等对屈曲及后屈曲行为的影响,确定出屈曲时具有上临界载荷和下临界载荷的不同壳体位置的区域范围,在此基础上提出椭球壳复合材料后压力框格栅加筋方案并进行优化,最后确定椭球壳格栅结构加筋方案,相应格栅结构椭球壳具有较高的下临界载荷。而由此形成的格栅结构确定方法也可以应用于类似壳体格栅结构加筋方案的确定。

先进复合材料AGS结构损伤扩展分析

基于精细加筋单元模型提出了一种用于先进复合材料格栅加筋(AGS)结构的损伤启始和扩展分析方法。该方法同时考虑了层内损伤和层间损伤,其中,层内损伤包括蒙皮纤维破坏、蒙皮基体开裂、蒙皮纤维-基体剪切破坏以及肋骨纤维破坏,而层间损伤为蒙皮分层损伤。对于层内损伤采用材料常数退化准则;而对于分层损伤,提出了一种新的等效刚度退化准则。通过典型算例证明了该损伤模型用于AGS结构分析的有效性,并详细分析了中心含孔复合材料正交各向异性格栅加筋曲板和光板在轴压下的损伤扩展机理和行为。计算结果表明,蒙皮层内损伤往往先于分层损伤发生并扩展,纤维-基体剪切破坏在45°铺层扩展速度最快,分层损伤区域极易发生局部蒙皮失稳。

先进复合材料格栅制造工艺研究进展

概述了先进复合材料格栅结构的应用现状和潜在应用,分析了先进复合材料格栅结构制造工艺的共性问题和个性特征,按照赋形方式将先进复合材料格栅典型制造工艺划分为"硬模"工艺、膨胀垫工艺、膨胀块工艺、混合模工艺、互锁工艺、方管增强工艺、夹层互锁工艺,总计7类工艺,介绍了这7类工艺的基本原理,分析了这7类工艺的不足和适用范围,并针对工艺不足提出相应的改进措施。

平板型复合材料格栅结构载荷重构研究--Ⅱ：反演模型与验证

将最优化方法应用到复合材料格栅板的载荷重构中,基于文献[11]所建立的前向响应模型,通过构造误差性能指标J表征前向响应模型与实测响应的差,将载荷的反演转换为所定义误差性能指标极值条件的获取,应用平滑算法对指标J的极值进行了求解;并借助分布式响应的功率梯度云和指标J极值点的搜索给出了一套由粗到精的载荷定位方法,实现了AGS板的载荷时程和载荷位置的同时重构。算例与实验研究表明,本文方法具有较高的反演精度和鲁棒性,从而为AGS的工程应用提供了必要的技术储备。

平板型复合材料格栅结构载荷重构研究Ⅰ:前向响应模型

先进复合材料格栅结构(AGS)在航空、航天结构工程中有着广泛的应用前景。本文作者针对低速冲击载荷作用下先进复合材料格栅结构的载荷重构进行了研究。本文中研究了平板型复合材料格栅结构在横向低速冲击载荷作用下的前向响应近似模型。考虑AGS板蒙皮/肋的弯剪耦合效应和截面偏心距e,对平板型复合材料格栅结构的等效刚度模型进行了改进。基于改进的等效刚度模型和非对称Mindlin板理论,建立了平板型格栅结构的前向响应近似模型及其状态空间表达式,应用傅立叶展开求解了低速横向冲击载荷作用下的结构响应,并通过数值试验验证了该方法的实用性与可靠性。该部分研究将为平板型复合材料格栅结构的载荷重构Ⅱ:逆向重构的研究提供前提条件和理论基础。

碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构抗冲击性能试验与车体顶棚仿真

复合材料夹芯结构在轨道车辆轻量化设计中应用广泛,传统单一铝蜂窝芯体的复合材料夹芯结构抗冲击性能较差,难以满足运用需求。在传统碳纤维/铝蜂窝夹芯结构的芯体中引入网格形格栅,形成碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构,在格栅交点处、单肋板中心处和格栅中心处3种典型位置对其分别进行落锤冲击试验与冲击后压缩试验。并将碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构应用于车体顶棚结构,在落石冲击工况下建立了3种不同材料的车体顶棚仿真模型,分析其比峰值载荷和比刚度等力学性能。结果表明:碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构相较于传统碳纤维/铝蜂窝夹芯结构,其抗冲击性能更强,冲击后压缩强度高出约34%,压缩刚度高出约52%;位于格栅交点处与单肋板中心处的接触力峰值、分层临界载荷与凹坑深度显著优于格栅中心处;与碳纤维/铝蜂窝车体顶棚相比,碳纤维/格栅增强蜂窝车体顶棚在落石冲击下的变形量减小了71.73%,比峰值载荷与比刚度分别提高了133.33%、146.72%。碳纤维/格栅增强蜂窝夹芯结构兼具轻量化与性能强的优点,适合作为大型承载结构,可以为高速列车车体结构设计提供参考。

碳纤维复合材料格栅结构的吸波/承载性能研究

论文在复合材料格栅结构的基础上,研究制备了一种新型的吸波/承载一体化复合材料格栅结构。以等格栅为单胞结构,研究了复合材料格栅结构单胞边长和结构高度对格栅结构吸波性能的影响。结果表明,结构高度的增加增强了复合材料格栅结构吸波性能,而单胞边长变化对格栅结构吸波性能的影响较小。除此之外,当结构高度和单胞边长匹配时,获得展宽的复合材料格栅结构吸收频带,最大吸收峰频率为16.2GHz,最大吸收峰反射率为-17.35dB,反射率小于-10dB的频段为11.5GHz～18GHz。三点弯曲单胞名义剪切应力和单胞名义压缩强度分别为5.62MPa和61.5MPa。

含分层损伤复合材料等三角形格栅加筋板的起裂和扩展过程研究

对在压缩载荷下先进复合材料等三角形格栅加筋板结构(AGS)后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程进行了研究。基于一阶剪切变形理论和Von-Karman几何非线性关系,提出了AGS结构后屈曲有限元分析模型;基于总能量释放率准则,并利用虚裂纹闭合法(VCCT)及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程,在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应。并通过典型算例,讨论了不同的初始分层尺寸、肋骨刚度对等三角形格栅加筋板结构的分层起裂和扩展过程的影响,通过与具有相同几何尺度的正交格栅加筋板结构的比较,说明等三角形格栅加筋板结构具有较高的抗分层能力。本文方法和所得结论对AGS结构的承载能力预测和设计将具有参考价值。

铺丝成形复合材料格栅筋条的纤维形态与弯曲性能评价

为进一步提高复合材料格栅筋条结构承载效率,提出了基于“剪断-续铺”的格栅节点纤维形态调控方法,采用显微观察、有限元仿真、试验验证的手段,研究了不同剪断续铺层含量和分布位置对复合材料格栅节点处纤维形态和格栅筋条弯曲性能的影响。结果表明,复合材料格栅筋条铺丝成形过程中,合理的非连续铺层在提高筋条极限弯曲载荷的同时,还会在其内部引入伪韧性弯曲行为。仿真结果与试验结果误差小于8%,具有良好的一致性。利用建立的有限元模型分析了含非连续铺层的格栅结构失效机理。综合分析非连续铺层对格栅节点纤维形态、格栅结构弯曲载荷承载能力和力学行为的影响,对于常见格栅筋条,其最优的格栅筋条节点非连续层含量为25%且在节点顶部集中分布。

先进格栅增强复合材料结构在软模共固化成型过程中工艺参数研究

先进格栅增强复合材料结构(AGS)软模共固化工艺成型过程是一个包括固化度、温度和应力场等相互耦合作用的复杂历程,工艺参数的选择将直接影响AGS产品的性能。该文以一简单正交AGS板为例,采用有限元分析方法对其软模共固化成型工艺过程进行数值仿真,讨论了工艺间隙、工艺环境和固化制度等对成型工艺过程中预浸料内部固化度,温度和应力场分布规律的影响,并提出了确定相应的工艺参数的意见。论文工作对AGS软模共固化工艺设计具有一定的参考价值。

一种分析AGS结构的三角形加筋板壳单元

基于精细三角形Mindlin板单元构造了21个自由度三角形复合材料加筋板壳单元。在该单元构造过程中,考虑了肋骨弯曲、扭转、面内剪切和横向剪切变形的影响;由于肋骨和蒙皮的位移插值函数采用了相同的形函数,保证了两者变形的协调性,同时又放松了肋骨转动的约束,故与传统的板单元相比,能较好地反映了蒙皮和肋骨的变形特征。在此单元中,肋骨放置的数量、位置和角度可以任意,为结构的单元网格剖分带来了很大的便利。算例结果验证了单元的有效性,特别是在分析高肋结构时,显示出其比传统加筋板单元具有更高精度的优点。还以一典型的先进复合材料等格栅加筋板(AGS)为例,讨论了该结构弯曲变形的力学特性。

用于AGS结构分析的混合法

结合均匀化模型和加筋单元模型构造了一种混合模型用来分析复合材料格栅加筋板/壳结构(AGS)。所构造的加筋单元模型是一种高性能协调转角独立加筋板壳单元,保持了肋骨和蒙皮位移场的协调性,同时还满足肋骨和蒙皮具有独立转动条件,该单元中肋骨的方向和位置任意。混合法具有精度高、速度快等特点。通过典型算例讨论了肋骨间距和高度对均匀化模型计算结果精度的影响,通过对带孔复合材料AGS板孔边特殊点应力值的分析证明了混合法的有效性。

含分层损伤AGS起裂和扩展过程数值模拟

建立了在压缩荷载下先进复合材料格栅加筋结构(AGS)后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程的数值模拟方法.首先,基于一阶剪切变形理论和Von Karman几何非线性关系,提出了AGS结构后屈曲有限元分析模型;其次,采用总能量释放率准则,并利用虚裂纹闭合法(VCCT)及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程,在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应;最后,应用OpenGL实现了分层损伤的扩展动态可视化过程.通过典型算例,讨论了肋骨与分层中心的相对位置,以及蒙皮的铺层方式对AGS结构的分层起裂和扩展过程的影响.所提方法和所得结论对AGS结构的承载能力预测将具有参考价值.

格栅非均匀分布效应对复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响

研究格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响。首先,基于格栅间距沿母线方向的变化特征和等效平铺模型推导了格栅加筋圆锥壳体的等效刚度阵。其次,采用Donnell型扁壳理论推导了在均布外压作用下格栅加筋圆锥壳体稳定性分析的总势能表达式,利用最小势能原理得到了该壳体总体稳定性的临界载荷值,所得计算结果与实验结果十分吻合。最后,通过典型数例参数讨论,说明格栅非均匀分布效应对先进复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响将随底锥角增大而显著。该文将为先进复合材料格栅加筋圆锥壳体的参数优化设计提供一种高效和可靠的分析方法。

基于变环肋间距的碳纤维/环氧树脂复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体稳定性

研究均布外压作用下具有非均匀特征的碳纤维/环氧树脂复合材料格栅加筋(AGS)圆锥壳体构型优化。首先,充分考虑复合材料格栅圆锥壳体中格栅非均匀分布造成结构小端材料利用不充分问题,提出变环肋铺设间距的优化分布方式,使格栅在截顶圆锥壳体结构上小端疏大端密。之后,基于考虑格栅非均匀分布及变环肋间距铺设特征的等效刚度模型,并采用最小势能原理得到环肋铺设优化后的AGS圆锥壳体临界载荷值解析式。针对典型锥壳的有限元验证表明解析算法的误差在1%左右,证实了本文提出的分析方法的可靠性和有效性。最后,通过对环肋间距优化圆锥壳体的参数分析,发现优化环肋分布方式可以使AGS锥壳结构的外压稳定性大幅上升。本文研究内容为碳纤维/环氧树脂复合材料AGS圆锥壳体的优化设计提供了一种具有较高承载力的构型,并为此类结构的计算提供了解析算法。

Y型蜂窝等效模型及蜂窝夹芯结构车体的仿真分析

复合材料夹芯结构在轨道车辆车体轻量化中应用广泛,但在大型夹芯结构车体仿真计算时,存在结构层次复杂且分析经验较为缺乏等问题。本文提出考虑蜂窝双壁影响的Y型蜂窝等效模型,然后基于Y型蜂窝等效构建碳纤维铝蜂窝夹芯板和格栅增强碳纤维铝蜂窝夹芯板仿真分析模型,并将其分别与三点弯曲试验进行验证。根据传统列车车体的蒙皮骨架形式,构建碳纤维铝蜂窝车体和格栅增强碳纤维铝蜂窝车体,并运用BSEN12663:2010标准和《复合材料设计手册》中的设计标准分析其刚度、强度、应变等力学性能。研究结果表明:碳纤维铝蜂窝夹芯板和格栅增强碳纤维铝蜂窝夹芯板三点弯曲仿真结果与试验值误差分别为2.8%和0.1%,验证了Y型蜂窝等效模型具有较高的精度;碳纤维铝蜂窝车体的比刚度最低提升了49.4%,强度最高提升了64.5%;格栅增强碳纤维铝蜂窝车体的比刚度最低提升了67.6%,强度最高提升了66.2%。对于2种蜂窝夹芯结构车体的蒙皮来说,格栅增强碳纤维铝蜂窝车体应变最低下降了36.9%,失效因子最低下降了61.1%,相比碳纤维铝蜂窝车体有较充足的安全余量;相比原不锈钢车体,2种蜂窝夹芯结构车体具有较好的减重效果,碳纤维铝蜂窝车体减重33.4%,格栅增强碳纤维铝蜂窝车体减重13.1%。基于Y型蜂窝等效模型的碳纤维夹芯结构仿真分析,为先进复合材料轨道车辆车体结构轻量化设计提供了参考。