典型钛合金壁板高温环境下振动疲劳分析与试验研究

振动和高温一直是影响飞机结构安全的重要因素,受到振动载荷和高温环境联合作用的飞机结构更容易出现疲劳破坏。本研究中的典型钛合金壁板结构形式包括加筋壁板和蜂窝壁板,通过改变壁板厚度、加筋间距以及结构连接方式,使用分析和试验的手段对壁板的振动特性、振动疲劳寿命及破坏部位开展规律性研究。研究发现,加筋壁板破坏部位出现在加筋或连接角片上,蜂窝壁板在8 h试验时间内未出现破坏,壁板厚度、加筋间距以及结构连接形式对壁板振动疲劳寿命影响较小。

轴向流作用下均布非线性弹簧支承二维壁板的复杂响应

考虑刚性导流段和尾流段对流场的影响,建立轴向流作用下二维板的非线性流固耦合运动控制方程,用有限差分法对控制方程进行离散。为了克服差分网格较多时带来的计算规模较大的问题,对控制方程用主模态缩减法缩减自由度,然后对离散方程进行数值积分,得到系统的复杂响应,分析其分岔和混沌特性。计算结果表明,以来流流速幅值和阻尼参数为可变参数时,系统具有极其复杂的动态响应,通过分岔图、相图和庞加莱截面图等方法判断了系统多种形式的周期、拟周期和混沌运动,在以来流流速幅值为可变参数时,系统一开始经由周期倍化分岔的方式进入混沌;在以阻尼系数为可变参数时,经由倒周期倍化分岔的方式从混沌运动退回到周期振动。

结构-功能一体化异种复合材料壁板优化与验证

基于航空壁板结构承载-电气功能的一体化需求,对适用于智能蒙皮的异种复合材料壁板开展了优化设计与试验验证。通过在高模量碳纤维蒙皮的外侧增加玻璃纤维层,进行了以碳纤维-玻璃纤维-金属结构单元阵列-玻璃纤维复合顺序的壁板承载-电气功能一体化设计。针对异种复合材料结构的铺层优化需要考虑共胶接的分区域及铺层连续性的工艺要求,发展了基于丢层序列的优化方法,并对于加筋壁板的几何外形、筋条数量、筋条几何参数以及筋条与蒙皮的铺层角度进行了优化设计。通过压缩稳定性试验验证了该结构在承载能力和稳定性方面的收益,明晰了其压缩载荷下的屈曲模态及后屈曲失效机理。

飞机壁板装配偏差传递与演变及其优化方法

壁板的装配准确度直接影响飞机的气动力特性,在装配过程中受到夹紧力、铆接力、回弹力、装配顺序等影响,壁板将发生不同程度的变形,装配变形与零件偏差、夹具偏差等相互耦合,导致壁板最终的装配准确度难以预测和控制。针对以上问题,本文对壁板装配过程中偏差的传递与演变规律进行研究,构建了壁板装配偏差传递与演变的刚柔混合模型与壁板装配准确度的评价准则;采用确定性分析法计算壁板的刚性定位偏差,并通过建立多步夹紧和不同长桁装配顺序下的偏差状态空间模型,揭示了壁板装配过程中偏差的演变规律,实现了壁板装配偏差的准确预测;提出了基于代理模型和智能优化算法的长桁装配顺序稳健优化设计方法,通过装配顺序优化使壁板的装配质量得到了整体提升。

新一代机身壁板压剪载荷试验台结构设计

针对传统机身壁板压剪试验台加载空间为固定尺寸的问题,设计一种新一代机身壁板压剪载荷试验台。它可以根据机身壁板长度调节加载空间,适用于不同长度机身壁板压缩载荷+剪切载荷试验。介绍试验台设计方案,提出试验台核心功能的关键机构设计方法;对试验台进行了功能调试,各关键机构功能正常,满足使用要求。利用试验台对试验假件进行模拟加载,加载过程线性度良好,证明试验台载荷施加方法合理;试验假件应变分布均匀度良好,证明试验台精度满足要求。

中心开孔加筋壁板压缩性能研究

为了研究飞机结构中不同开孔尺寸加筋壁板在压缩载荷下的屈曲行为和后屈曲行为,本文设计了相应的试验方法和试验夹具,完成了壁板压缩试验。得到了不同开孔尺寸加筋壁板的屈曲/破坏载荷、失稳过程及破坏模式。结果表明:加筋壁板的屈曲模式是筋条间蒙皮和筋条外蒙皮发生相反的变形,且屈曲模态随载荷的增加发生多次跳变;加筋壁板的压缩破坏模式是在屈曲变形的基础上筋条伴有明显的变形。针对不同开孔尺寸的加筋壁板进行压缩加载有限元仿真,得到的屈曲与破坏模式和试验的吻合,屈曲/破坏载荷与试验结果的误差在4%以内,验证了有限元模型的有效性。随着开孔尺寸的增加,加筋壁板的屈服载荷先缓慢减小后快速增大;壁板的破坏载荷逐渐减小,最终结构失去后屈曲承载能力。

平纹编织复合材料加筋壁板低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

该文通过构建平纹编织复合材料(plain woven composites,PWC)的微/细/宏观多尺度模型,对复合材料T型和工型加筋壁板的低速冲击(low-velocity impact,LVI)和冲击后压缩(compression after impact,CAI)性能进行分析。根据PWC内部结构特征,构建微观和细观代表性体积单元(representative volume element,RVE)模型,通过施加不同的载荷条件,预测其等效力学参数。同时,基于局部均匀化方法,将细观RVE模型转化为包含0°和90°子胞的等效交叉层合板(equivalent cross-ply laminate,ECPL)胞元。通过ECPL胞元建立PWC加筋壁板的宏观分析模型,并进行LVI和CAI性能分析。首先进行了能量为8 J、10 J和12 J的LVI试验和多尺度模拟,研究了PWC加筋壁板在LVI载荷下的力学行为。随后,对不同能量冲击后的加筋壁板进行CAI试验和数值模拟,研究其冲击后压缩剩余力学性能和损伤行为。最后,通过对比分析不同能量冲击下的LVI和CAI试验和预测结果,发现多尺度模型对加筋壁板力学性能的预测误差均小于6%,验证了该多尺度模型的有效性。试验和预测结果表明,在CAI载荷作用下,PWC加筋壁板的蒙皮部分沿着冲击损伤的位置发生完全断裂,其中,纤维断裂和层间分层成为PWC加筋壁板的主要损伤形式。此外,工型加筋壁板表现出更好的抵抗压缩强度衰减能力。

考虑气动加热瞬态效应的复合材料壁板超音速LCO特性研究

研究了考虑气动加热瞬态温度效应的复合材料壁板非线性热气动弹性行为。对于气动热模型,采用Eckert参考温度法计算气动加热热流,采用有限差分法求解包括壁板面内和贯穿厚度方向的二维瞬态温度场。对于气动弹性模型,采用Von Karman假设来描述复合材料壁板的大挠度变形,采用一阶活塞理论描述超音速气动力。在该方法验证后,给出了考虑气动加热瞬态效应下的复合材料壁板瞬态温度响应和气动弹性极限环振荡(limit cycle oscillation,LCO)响应,并与壁板在稳态温度场中的气动弹性LCO响应进行对比分析。重点讨论了考虑气动加热产生的瞬态温度效应下斜激波、来流动压、传热系数和初始干扰力等因素对复合材料壁板超音速热气动弹性LCO响应和瞬态温度场的影响规律。

声发射技术在复合材料壁板压-剪复合载荷疲劳试验损伤扩展监测中的应用

利用声发射技术对某飞机复合材料机身壁板压-剪复合载荷疲劳试验中位于壁板长桁上的两处初始损伤开展了连续跟踪监测,试验过程中对各监测通道声发射信号的幅值、能量、计数等特征参数进行实时统计分析,在试验中成功监测到其中一处损伤的扩展,为试验结论分析提供了重要数据支撑。

带筋壁板筋条双侧激光喷丸成形研究

带筋壁板能显著提高飞行器的结构效率与气密性,是现代航空航天飞行器广泛采用的结构形式,而激光喷丸成形作为新型无模柔性成形工艺,是带筋壁板成形的有效工艺途径。带筋壁板的可喷丸区域包括筋条双侧与内外侧蒙皮,考虑筋条双侧喷丸可精确调控带筋壁板的几何形状,首先对带筋壁板筋条双侧激光喷丸的变形特征进行分析,并基于激光喷丸固有应变理论推导筋条双侧喷丸等效弯矩解析公式,进而建立筋条双侧喷丸等效弯矩数值模型。研究表明,建立的等效弯矩模型可为筋条双侧喷丸的带筋壁板激光喷丸成形的变形预测与工艺规划提供有效途径。

铝合金贮箱壁板机械校形工艺研究

贮箱壁板是运载火箭箭体的主承力构件,在其制造过程中难以避免产生不期望变形,后期必须对壁板进行校正。本文针对目前贮箱壁板采用人工锤敲校形存在的校形质量不稳定、噪音大、劳动强度大等问题,以航天典型交叉筋条结构铝合金高筋壁板为研究对象,引入机械化方法对壁板进行校形。首先设计了机械校形装置及校形方案,之后利用有限元仿真软件ABAQUS模拟分析了不同误差壁板变形校正所需校形力的变化规律,拟合出校形力大小与校形量之间的函数关系,在此基础上开展了壁板校形试验。试验结果显示,经过机械校形得到的壁板表面质量好,外形精度高,符合生产制造要求。研究表明,机械校形方案用于铝合金贮箱壁板的校形工作行之有效,有助于应对未来壁板型号种类增多带来的高质量、高效率制造要求。

考虑非概率不确定性的复合材料壁板颤振可靠性优化方法

不确定因素普遍存在于气动弹性系统的优化设计中,但传统气动弹性优化设计技术并未考虑材料属性、大气环境、几何尺寸等不确定因素,存在最优化目标对设计参数变化敏感,也可能会发生预期之外的颤振失效。基于此,本文通过对传统优化模型中目标函数的鲁棒性处理和对约束条件的可靠性处理,发展了计及可靠性与鲁棒性的区间优化模型,并将该优化模型应用于气动弹性系统的优化设计中。针对超声速气流下的复合材料层合板和蜂窝夹层板结构进行了考虑不确定性的颤振优化设计,在满足颤振约束指标的条件下,实现了结构减重的设计目标。

民用飞机机翼翼尖端部全高度泡沫芯壁板制造技术

民用飞机机翼翼尖端部组件结构为全高度泡沫夹芯壁板,由“C”形端隔板、尾边条、楔形块、泡沫芯、外蒙皮组成,型面公差要求严,装配关系复杂,制造过程极易引发内部无损与结构变形,对结构制造工艺的可行性与稳定性提出了严重挑战。通过对泡沫胶接质量验证、泡沫芯进行压缩试验验证,验证了胶膜黏接质量可靠性,同时得出泡沫芯厚度的1%作为蠕变压缩的工艺补偿量。采用AIRPAD-碳布叠层压力垫结构形式,使其在高温固化过程中进行膨胀从而有效进行压力均匀传递,保证端隔板零件制造厚度和消除表面皱褶。对外蒙皮加强层、整层、迎风面进行铺层展开可行性分析,对于无法展开区域按平行于纤维方向进行工艺分片,按照规范拼层错缝调整,在满足设计要求下进行剪口处理,从而保证料片外形与产品外形一致性。为控制组件共胶接质量,采用上/下组合模形式,组合模选用复合材料结构上半模,保证其具有随热压预浸料厚度下降而适应性形变的韧性。通过上述研究成功研制符合设计要求的合格产品并进行装机应用。

大型整体壁板加工变形控制技术研究

针对典型大型整体壁板数控加工后变形量高达40mm且无法喷丸校形的问题,采用有限元仿真研究毛坯初始残余应力与零件变形量的相关性,通过改变加工顺序,优化加工过程材料去除策略,有效控制整体壁板的加工变形。结合实际工艺方案,通过合理选择切削参数,即采用小直径刀具径向逐层走刀,切削轨迹由沿宽度方向调整为沿长度方向,减少零件加工变形量。通过实例加工验证了该方法能有效解决大型整体壁板加工变形的问题。

市政工程调蓄池壁板配筋精细化设计

市政工程调蓄池的外壁板结构设计要点与常规设计的要点不同。在常规设计中,根据相关规范要求,顶板开洞处仅采取构造措施对其进行孔洞加强,并未考虑顶板开洞对壁板配筋造成的影响。本文以实际工程为例,从模拟调蓄池实际边界条件、探究合理计算模式等方面进行分析,为调蓄池壁板结构精细化设计提供建议和参考。

复合材料加筋壁板低成本控制研究

为有效降低复合材料主承力结构件制造成本,制造部门一直在尝试通过非热压罐固化工艺方案进行成本控制。本文以翼面类复合材料加筋壁板为研究对象,通过材料体系选用、长桁截面形式分析、公差要求等设计因素和材料利用率、工时成本、工装成本等制造因素进行制件低成本驱动要素研究,同时结合VARTM和RTI非热压罐固化工艺制备复合材料加筋壁板进行总结说明。研究结果表明:设计阶段对制件成本起决定性因素,制造阶段主要通过提升制备效率降低制件成本;非热压罐固化工艺可以有效降低制件成本,但是需平衡设计部门对公差的要求和制造部门对工艺可操作性要求。

变刚度复合材料加筋壁板的压缩试验及仿真研究

受益于自动铺丝等自动化制造技术,曲线纤维复合材料的工程应用已经成为现实,但曲线纤维复合材料在加筋壁板上的性能优势仍缺乏相应的试验数据验证。本文对比分析了直线纤维与优化后的曲线纤维复合材料加筋壁板的压缩性能,采用了自动铺丝工艺分别制造了直线纤维面板和曲线纤维面板,并与固化好的工形长桁进行二次固化,然后对两种类型的试验件进行压缩性能测试。试验结果表明,直线加筋壁板复合材料的压缩载荷为116.27kN,而优化后曲线纤维加筋壁板的压缩载荷为151.62kN。对两种形式的加筋壁板进行了有限元仿真,并与试验结果进行对比。仿真结果表明,直线纤维加筋壁板因为较早地出现了面板屈曲并随之与工形长桁脱黏,最后长桁被压溃而导致整个结构失效。而曲线纤维加筋壁板因为屈曲强度较高,在临近失效时才发生脱黏,并导致最终的压溃。

航天型号机加类壁板产品采购成本控制方案研究

中国航天正处于快速发展的阶段,原有的产能需求已无法满足现在的型号需求。若按原有的增员、增设备方案提高产能一方面效率较低,无法解决短期问题,另一方面短期成本投入较大,资金压力较大。应该遵从市场规律,通过供应链解决。以壁板类产品为例,每年需求量较大,每年外包费用较高。若通过设备改造、工艺优化、生产管理优化等方面协助供应商进行改进,可以在提高生产效率的同时控制采购成本,基于此,文章就航天型号机加类壁板产品采购成本控制方案展开研究。

复合材料帽型加筋壁板典型件共固化成型技术研究

文章对复合材料帽型加筋壁板典型件进行了共固化成型技术研究,通过研究该典型件结构发现,该复合材料典型件结构复杂,需要实现加筋与壁板的一体化组合加工。因此,文章采用了共固化成型技术,该技术可以通过一次压力将多个构件进行联合固化,从而实现构件的一体化,且该技术具有成本低、生产效率高的优势,可以推广应用于类似结构的复合材料制造。

免支撑分块式预制混凝土壁板施工技术研究

为了解决预制装配式混凝土壁板单块重量大、施工时所需支撑多的缺点,以实际工程为背景,设计、施工了一种免支撑分块式预制装配混凝土壁板。壁板接缝处采用UHPC现浇连接段及预埋锚栓干式连接混合作用的节点,达到以下效果:1)在安装阶段,通过预埋螺杆、预埋连接盒的直接连接,可快速提供预制构件安装所需锚固力,降低安装难度;2)在使用阶段,通过超高性能混凝土现浇结合连接的方式提供锚固力,使预制装配式壁板不开裂、渗漏;3)将传统大块壁板分割为较小的块体,降低了单块壁板的重量和体积,便于运输和组装,同时免除了大量的支撑结构,提高了施工效率和质量。