全高度PMI泡沫夹芯复合材料组件制造技术研究

某型民用支线飞机舵面尖部选用全高度泡沫夹层,以实现舵面结构和操纵功能,提出了PMI泡沫芯材不同铣切方法,验证了无铣切夹具加工双曲面全高度PMI泡沫芯材的铣切技术,探讨了共胶接和共固化制造技术特点,使用共胶接成型增加了骨架组件修整操作,实现了制造过程可视化。以组件角分线为分模面,采用“软硬合模”工装,确定了“预浸料+airpad+预浸料+airpad”的“软模”压力垫形式,实现固化压力有效传递。

全厚度缝合复合材料泡沫芯夹层结构力学性能研究与损伤容限评定

探索了全厚度缝合复合材料闭孔泡沫芯夹层结构低成本制造的工艺可行性及其潜在的结构效益。选用3种夹层结构形式,即相同材料和工艺制造的未缝合泡沫芯夹层和缝合泡沫芯夹层结构及密度相近的Nomex蜂窝夹层结构,完成了密度测定、三点弯曲、平面拉伸和压缩、夹层剪切、结构侧压和损伤阻抗/损伤容限等7项实验研究。结果表明,泡沫芯夹层结构缝合后,显著提高了弯曲强度/质量比、弯曲刚度/质量比、面外拉伸和压缩强度、剪切强度和模量、侧压强度和模量、冲击后压缩(CAI)强度和破坏应变。这种新型结构形式承载能力强、结构效率高、制造维护成本低,可以在飞机轻质机体结构设计中采用。

复合材料夹芯结构低速冲击性能研究

复合材料夹芯结构为电子设备与外层蒙皮提供了一体化设计的思路,可以大幅降低飞行器的结构重量。通过低速冲击试验和ABAQUS仿真研究了5 J和10 J冲击能量下某飞行器复合材料机翼蒙皮典型夹芯区域在低速冲击下的性能。随着冲击能量的增加,复合材料泡沫夹芯结构的能量吸收率由5 J的72.0%提升至10 J的76.0%。由仿真结果可知,当冲击能量达到10 J时,出现了纤维损伤,且损伤沿表层铺层角度扩展,基体压缩损伤主要出现在冲击正面,基体拉伸损伤主要出现在冲击背面,损伤随冲击能量的增加而变大。当冲击能量达到10 J时,上面板与泡沫芯体粘接处也产生了较大的损伤。

泡沫夹芯型吸波隐身结构复合材料的发展趋势

介绍了吸波隐身材料的发展趋势、泡沫型吸波材料的优势及新型聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫的优异性能,展望了以PMI泡沫为芯材制备泡沫隐身复合材料的应用前景。

缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充填模拟及验证

采用"长条"模型代替泡沫中沿缝线方向树脂流动模型并对其等效渗透率及孔隙率进行计算;然后用PAM-RTM软件对缝合泡沫夹芯结构真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺树脂充填过程进行数值模拟,最后建立了流动可视化实验装置对模拟结果进行实验验证。对比模拟与实验结果表明,模拟与实验完成整个充填过程的时间非常接近,并且树脂在预成型体中流动方式及在预成型体上、下面板流动状态的数值模拟与实验结果也非常地一致。故建立的"长条"模型及其相关参数的计算是合理的,可以用来准确地预测缝合泡沫夹芯结构VARTM工艺树脂充填过程。另外,树脂在上面板流动前沿在沿宽度方向较为统一,而树脂在下面板流动前沿呈现锯齿状,容易产生空隙及干斑等缺陷,影响制品的质量。

碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的弯曲特性分析

通过三点弯曲实验研究,得到了碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的弯曲性能以及破坏机理。并采用逐渐累积损伤方法对泡沫夹芯结构弯曲载荷进行了预测,结果发现:模拟与试验结果较吻合,弯曲载荷误差为6.31%。研究结果表明:有限元数值模拟能够准确地得到泡沫夹芯复合材料在压缩过程中的损伤扩展,并最终预测碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的最大破坏载荷和破坏趋势。

横隔板增强型泡沫夹芯复合材料梁抗剪性能试验研究

复合材料泡沫夹芯结构易发生芯材剪切破坏,需对泡沫芯材进行增强。本文对比分析了不同增强泡沫夹芯结构的增强原理、芯材对界面性能和抗剪能力的贡献以及各自的局限;采用真空导入工艺制作了横隔板增强泡沫夹芯梁,并对其进行了剪跨比为3的三点弯试验,研究了横隔板及其间距对泡沫夹芯结构抗剪性能的影响。试验结果表明,横隔板的存在能有效提高构件的延性,且横隔板间距越小,延性越好,改善了泡沫夹芯结构脆性破坏的特性;但横隔板增强对夹芯梁强度和刚度的影响不大,该结果与垂直缝纫增强泡沫夹芯结构的试验结果类似。横隔板增强泡沫夹芯结构具有良好的设计性,其制作过程比较简单,可改变横隔板角度或采用双向隔板增强,从而在保持延性的优势下,提高其强度和刚度。

某全泡沫夹芯复合材料无人机平尾的强度分析与验证

平尾作为飞机的重要部件,对整个飞机的安全性能有着重要影响。某型通用无人机为T型平尾,平尾载荷比较小,采用全泡沫夹芯结构,为评估全复合材料泡沫夹芯平尾的静力强度,通过Abaqus软件建立平尾结构的有限元模型,并对该平尾在最大载荷作用下的受力情况进行了有限元分析,给出了平尾的应力和变形结果。设计制造了平尾的试验件和试验加载装置,并完成了试验验证,试验结果与理论计算基本相符,表明平尾有限元模型和分析方法是正确可行的。

复合材料泡沫夹芯板低能量冲击响应试验研究

采用ASTM D7766/D7766M—15试验标准,对聚氨酯泡沫夹芯、T700/3234碳纤维增强树脂面板试验件采用落锤冲击,分析了不同冲击能量、不同泡沫芯材、不同冲头作用下复合材料泡沫夹芯板的冲击响应,发现其可以分为3种破坏模型.随冲击能量增大,最大冲击力增大,达到峰值的时间缩短,上面板损伤开始较早,结构损伤增大,泡沫夹芯板压缩量增大;密度较大的泡沫夹芯结构上面板产生的冲击力的峰值大、位移小、吸收能量多,下面板的变形减小,结构抵抗变形能力强,应变小;直径小的冲头穿透性强,上面板应变较小,下面板应变增大.

泡沫夹芯结构复合材料VARI工艺模拟研究

提出了一种简单方便的等效建模法,解决了大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构真空辅助树脂灌注(VARI)成型工艺模拟仿真计算量大,效率不高的难题。采用等效建模法和细化建模法对矩形泡沫夹芯结构复合材料平板的VARI工艺进行了模拟仿真分析,并结合工艺成型实验进行了验证。结果表明,由两种方法计算得到的理论充模时间与实测树脂充模时间基本一致,采用等效建模法所得树脂流动前锋位置曲线与工艺成型实验测试值更加吻合。

泡沫夹芯结构复合材料VARI工艺模拟仿真技术研究

采用模拟仿真软件对聚氯乙烯泡沫夹芯结构复合材料矩形平板成型工艺进行了模拟分析。考察了芯材厚度、芯材的开槽方式及开槽尺寸等对树脂充模过程的影响,确定了适于工程应用的开槽方式及尺寸。

空间格构腹板增强泡沫夹芯复合材料试件准静态压缩吸能试验

采用聚氨酯泡沫作为填充材料,玻璃纤维增强复合材料作为面层和腹板,将双层正交格构腹板改变为双层错位格构腹板、多层错位格构腹板、六边形格构腹板和多层梯形格构腹板,制作空间格构腹板增强泡沫夹芯复合材料试件。对试件开展准静态压缩试验,记录试件的破坏过程,得到其荷载-位移曲线。分析试件产生不同破坏形式的原因,对比试件在压缩变形过程中承载力变化情况;引入能量吸收值、比吸能和平均压溃力3个指标比较试件的吸能性能。结果表明:改变竖直格构腹板的空间位置后,试件的准静态压缩破坏模式由竖直格构腹板突然屈曲失稳破坏改变为竖直格构腹板先产生倾斜再发生弯曲破坏,以及斜向格构与泡沫的剥离破坏和斜向格构与斜向格构的层间剥离破坏,有效减少了试件承载力的弹性突变,降低了试件的脆性;竖直格构腹板弯曲破坏比斜向格构的剥离破坏吸收更多能量,其能量吸收值波动幅度最大为16.6%;试件的能量吸收值随着压缩量增加呈线性增加,其耗能性能较为稳定。

缝合复合材料泡沫夹芯结构剪切刚度预报

针对复合材料泡沫夹芯结构的缝合工艺采用代表体元法,通过建立有限元模型,对这种新型复合材料结构的剪切刚度性能进行了预测。考察了缝合对材料弹性常数的影响,给出了弹性常数的计算方法,并着重探讨了纤维弯曲、富树脂区以及缝线刚度、缝线等效直径对结构剪切刚度的影响。对比发现:结构的面内剪切刚度与缝线直径成反比,与缝线的剪切刚度成正比;面外剪切刚度与缝线直径成正比,与缝线的剪切刚度成正比。数值分析结果与试验结果比较吻合。

不同芯材高度三维夹芯复合材料抗低速冲击响应的数值模拟

为研究三维夹芯复合材料低速冲击力学响应及损伤机制,借助ANSYS有限元软件,建立不同芯材高度的三维夹芯复合材料细观结构模型进行低速冲击响应模拟,并将模拟值与实验值进行对比分析。结果表明:从宏观角度分析,三维夹芯复合材料抗低速冲击性能随着芯材高度的增加而增加,在上面板均已损坏的情况下,芯材高度为5mm的材料芯材破坏情况更严重,模拟结果与实验结果具有较好的一致性;从细观角度分析,材料中的经纱、纬纱、接结经纱是承载的主体,树脂基体起次要作用;在5J能量冲击作用下,材料的破坏模式主要是树脂形变、碎裂,纤维与树脂脱黏。

泡沫夹芯复合材料力学性能与水声性能综合设计初探

采用Matlab编程,利用经典梁理论和夹层板理论构建了弹性模量、压缩强度等材料参数与泡沫夹芯复合材料弯曲刚度和压缩强度的关系,利用传递矩阵法构建了纵波声速、衰减系数、损耗因子等材料参数与泡沫夹芯复合材料水中插入损失的关系。在此基础上,利用NSGA-II多目标优化算法开展了力学与水声综合设计,初步获得了实用的泡沫夹芯复合材料力学与水声性能综合设计方法。

泡沫夹芯复合材料加筋结构振声特性研究

为了研究泡沫夹芯复合材料加筋结构在工程应用中的振声效果,针对泡沫夹芯复合材料加筋板格结构和钢制板格结构,开展了空气中的振动模态对比试验,试验结果表明,与钢制结构相比,夹芯复合材料加筋板格的前三阶固有频率提高2倍以上,应用泡沫夹芯复合材料加筋结构能在减轻结构重量的同时,大幅提高整体结构刚度。基于Layerwise理论对复合材料加筋板格结构的模态试验进行仿真计算,计算结果与试验结果吻合,验证了仿真计算方法的准确性;在此基础上,仿真计算泡沫夹芯复合材料加筋板格结构在空气和流体介质中的模态和频响特性,并分析加强筋尺寸对板格固有频率的影响规律,为工程应用提供参考。

缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充模的影响

对不同缝合参数的缝合泡沫夹芯结构复合材料真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺进行数值模拟,研究了针距、行距、缝针直径、芯板厚度及纤维面板厚度等缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂流动充填的影响。结果表明,改变缝合行距对树脂的流动充填速度影响不大,缝合行距越大,树脂在下层纤维面板流动的同步性越差,制品出现空隙及干斑的可能性越大;缝合针距越小,树脂完成充填的时间越长;分别增加缝针直径和泡沫芯板的厚度,树脂完成充填时间呈线性增长,缝针直径越大,下层纤维面板树脂浸润效果越好;纤维面板厚度增加,树脂完成充填的时间变长,且相对于其他缝合参数,纤维面板厚度对树脂流动充填时间影响最大;缝合针距、泡沫芯板的厚度及纤维面板的厚度都不影响树脂在下层纤维面板的浸润效果。

泡沫夹芯式复合材料结构抗弹性能试验研究

为了改善超高分子量聚乙烯纤维作为装甲材料应用的环境,设计了由聚氨酯泡沫、超高分子量聚乙烯纤维和玄武岩纤维组合形成的夹芯式防护结构,并分别对相当面密度下的单独钢板、前置钢板/夹芯板和单独夹芯板3种形式的防护结构进行了弹道试验.结果表明:夹芯板结构的使用能够较大程度的提高等面密度装甲结构的防护能力,且增加夹芯板在装甲结构中所占比重,或增加超高分子量聚乙烯在夹芯板结构中所占比重,都能提高装甲结构单位面密度的吸能量.同时,泡沫层的使用在一定程度上有利于发挥超高分子量聚乙烯纤维的抗弹吸能特性,而相同厚度软泡和硬泡对其影响相差不大.研究结果可为合理设计轻型防护结构提供参考.

导流介质对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺中树脂流动影响研究

对4种不同位置铺放导流网的缝合泡沫夹芯结构预成型体进行了真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺树脂充填实验,探究了预成型体中导流网的铺放位置对树脂在其中流动浸润的影响。对实验结果进行分析得出:预成型体中加入一层导流网可以使上、下层纤维面板中树脂完成充填时间间隔变小;导流网分别铺放在预成型体泡沫芯板上及预成型体最底层均易导致预成型体下层纤维面板形成空隙及干斑等缺陷,影响制品质量;导流网铺放在预成型体下层纤维面板上不但缩短了上、下层纤维面板中树脂完成充填时间间隔,而且下层纤维面板中树脂流动较一致,利于提高预成型体树脂充填质量。

缝合增强泡沫夹芯结构复合材料的制备与性能

为满足夹芯结构复合材料耐压和轻量化的要求,采用真空导入模塑工艺一体成型缝合增强泡沫夹芯结构复合材料,考察了缝合间距、缝合纤维柱直径对夹芯结构复合材料性能的影响。结果表明:缝合纤维柱的纤维体积分数控制在45%~47%范围内时,真空导入模塑工艺制备的缝合增强泡沫夹芯结构复合材料树脂浸润缝合纤维柱质量均匀,缺陷最少。缝合间距增加1倍,平压模量降低65.7%,平压强度降低54.3%;缝合纤维柱直径增加,平压模量和平压强度显著增加,且平压模量大致与纤维柱直径的平方成正相关关系。缝合增强后,夹芯结构平压模量最大增加了9.2倍,平压强度增加了3.9倍。缝合增强泡沫夹芯结构的失效依赖于缝合增强方式,主要有泡沫开裂失效和纤维柱失效两种失效模式。