复合材料加筋板高频声振响应试验和仿真研究

为了探究复合材料加筋结构在强噪声环境下的高频振动响应,本文以复合材料加筋板为研究对象,首先开展了两种不同加筋形式复合材料板的统计能量参数的试验辨识研究,建立了两种复合材料加筋板的统计能量模型,进一步搭建了基于混响室的复合材料板动响应试验平台,将其计算结果同试验结果进行对比,验证了方法的准确性,最后预示了更高声压级载荷下的结构高频声振响应。

基于导波监测的复合材料加筋结构冲击后剩余强度预测

对应用超声导波在线监测信息评估复合材料加筋结构冲击后剩余强度进行了研究。首先针对所监测的对象设计布置了压电传感网络并构建结构健康监测系统,通过局部信号差分系数计算出不同传感路径上的损伤指标,融合损伤概率成像方法识别损伤位置,测算形状因子以近似表征损伤尺寸。然后构建加筋结构有限元模型,由在线监测结果反馈损伤信息,采用软化夹杂法等效冲击损伤,依据复合材料损伤渐进失效分析理论,预测冲击后加筋结构的剩余极限强度。通过低速冲击、超声导波监测和压缩强度等一系列实验验证了所提出方法的有效性,为结构健康监测最高层次的应用提供基础。

复合材料加筋板高能量低速冲击损伤特性数值研究

高能量大面积钝物冲击对复合材料飞机运营安全带来较大的威胁。采用Hashin准则和双线性渐进损伤模型模拟层内损伤,采用Cohesive界面元模拟层间损伤,采用Ogden超弹性材料模型作为橡胶材料本构模型,并进行了模型有效性验证,针对复合材料加筋板开展了高能量软体、硬体低速冲击下的损伤特性数值研究。分别分析了加筋板不同位置在刚性冲头和橡胶冲头高能量低速冲击下的冲击响应和损伤过程,对比研究了在冲击过程中加筋板变形和损伤模式。结果表明,刚性冲击下接触压力较大,局部变形和损伤更严重。橡胶冲击下橡胶变形起到了一定缓冲和分散压力的作用,但接触力峰值与刚性冲击相比高出约23%。冲击位置位于筋条时在刚性冲击下的损伤最严重,损伤主要位于蒙皮、筋条腹板和缘条,在橡胶冲击下损伤主要位于蒙皮背部和筋条腹板。与刚性冲击相比,不同位置橡胶冲击下的损伤较小且几乎外部目视不可见。

轴压载荷下蒙皮参数对复合材料加筋壁板屈曲及后屈曲行为的影响

飞机中有大量加筋壁板结构,利用复合材料取代传统金属材料制造加筋壁板结构可减轻重量,提升性能。为研究轴压载荷下不同蒙皮参数对复合材料加筋壁板结构的屈曲与后屈曲行为的影响,通过ABAQUS建立了有限元模型。首先采用特征值法进行屈曲分析,然后采用ABAQUS中动力显式(dynamic explicit)建立模型模拟,最后进行轴压试验验证。结果表明:有限元仿真值与试验值相差不大,即该模型求解方法可以准确预测其后屈曲载荷;蒙皮参数的不同使得加筋壁板结构的屈曲模态发生改变,并且对后屈曲行为有明显影响,显著改变了加强筋结构的承载能力。研究结果对优化复合材料加筋壁板的承载能力与提高飞机结构设计效率具有重大意义。

非均匀温度场下复合材料加筋板振动特性研究

以复合材料加筋板为研究对象,同时考虑了温度对材料力学性能和结构热应力的影响,基于计及热效应有限元方程研究了非均匀温度载荷对结构振动特性的影响,计算了具有相同平均温度的不同温度梯度热载荷作用下结构的热应力分布和振动模态,分析了非均匀温度载荷对结构固有频率和模态振型的影响。研究结果表明,非均匀热载荷的温度梯度对结构的热应力分布和幅值有着显著影响;结构的固有频率随温度载荷的非均匀程度的增加整体呈下降趋势;非均匀温度载荷对结构模态中平板振动为主的模态振型影响较大、对结构模态中筋条振动为主的模态振型的影响较小。

复合材料加筋结构冲击定位算法有效性分析

随着复合材料在飞机结构上的大量应用,外来物的冲击造成复合材料内部出现分层等目不可见的损伤威胁越来越多,因此,对复合材料加筋结构进行冲击事件监测、冲击定位识别是非常必要的。为了验证冲击定位算法的工程有效性,基于复合材料大壁板结构上冲击试验的压电传感信号,比较时间反转聚焦、误差函数和互相关函数三种冲击监测算法的定位精度。结果表明:在2 360 mm×1 260 mm监测区域内,互相关函数算法在复杂结构定位中的误差最小,可应用于冲击监测设备开发。

湿热环境对航空复合材料加筋板压缩屈曲和后屈曲性能的影响

使航空复合材料加筋板在湿热环境中(70°C、水浴)达到吸湿饱和状态,对普通加筋板(A型)和吸湿饱和加筋板(B型)进行压缩实验。两类加筋板的破坏形貌相似,主要是筋条的断裂、脱粘和壁板的分层、撕裂,但破坏位置显著不同,A型加筋板的破坏位置均在加筋板中部附近,而B型分别在靠近两端的部位破坏,表明B型加筋板的破坏位置具有不确定性。两类加筋板的屈曲形式均为筋条间壁板的屈曲和中间2根筋条的屈曲,但两类加筋板相同位置的失稳壁板的弯曲方向相反,说明湿热环境对失稳壁板的弯曲方向影响较大。B型加筋板在压缩载荷下仍存在后屈曲过程,湿热环境对加筋板的屈曲载荷影响较小,对破坏载荷影响较大,较A型加筋板相比两者分别下降了3.1%和22.2%。

复合材料加筋板在剪切载荷下的屈曲特性研究

通过对复合材料薄壁加筋板结构进行剪切载荷下的屈曲试验研究,得到结构的屈曲模态、屈曲失稳载荷以及破坏形式,并通过有限元方法对结构的屈曲进行数值分析,分析得到的复合材料薄壁加筋板结构的屈曲模态和试验结果一致,屈曲载荷与试验结果吻合较好。试验还发现复合材料薄壁加筋板结构有较高的后屈曲承载能力,后屈曲过程中由于桁条脱胶会造成屈曲模态的变化。还分析了筋条的连续性对屈曲载荷的影响。

复合材料加筋壁板低速冲击响应与冲击能量关系

基于ABAQUS有限元软件,采用Hashin损伤准则建立了一种有效的复合材料加筋壁板低速冲击模型。分析了接触力、加筋壁板吸收能量和损伤散逸能对冲击响应的影响。结果表明:随着冲击能量的增大,接触力峰值前移,且冲击后板吸收能量与损伤散逸能的差值变大。落锤冲击实验表明,低速冲击能量下损伤程度与冲击能量正相关。对比了损伤区域的仿真结果和实验结果,发现二者拟合较好。

分层损伤复合材料加筋层合板屈曲和后屈曲性态研究

基于板的一阶剪切理论和Von-Karman大挠度理论,提出了含嵌入分层的复合材料加筋层合板在受压缩荷载作用下的前、后屈曲分析的有限元方法,并推导了相应的有限元列式,分析中还考虑了分层前缘的闭合接触效应.通过典型算例,研究了复合材料加筋层合板的屈曲和后屈曲性态与加强筋的分布、分层形状、分层位置及分层大小等因素的关系.

复合材料加筋板计及热效应的声-固耦合分析

高超声速飞行器在服役时会面临高温、振动和噪声等环境,声-固耦合是其设计环节备受关注的问题之一。针对飞行器典型复合材料加筋板,采用有限元-边界元法从三种工况开展加筋板的声-固耦合分析,即仅考虑高温对材料力学性能的影响(工况一)、仅考虑热应力对结构刚度的影响(工况二)、同时考虑二者的影响(工况三)。结果表明:高温引起的材料力学性能改变降低了板的固有频率,使响应峰值升高并向低频处移动;附加热应力的存在整体上降低了板的固有频率并改变了模态振型,引起响应峰值频率向高频处移动,并在整体上抑制了加速度响应;同时考虑二者的影响时,应力响应显著增大,加速度响应显著减小,且响应峰值频率位于工况一与工况二之间;高温对声压响应影响不大。

航空碳纤维增强树脂基复合材料加筋壁板吸湿行为

为研究碳纤维增强树脂基复合材料加筋壁板在湿热环境中的吸湿特性,在70℃/85%相对湿度的条件中开展了吸湿实验,结合实验数据,提出了复合材料加筋壁板的阶段吸湿模型,并对该型结构的吸湿行为进行了有限元仿真。结果表明:复合材料加筋壁板在吸湿初期符合Fick吸湿定律,在吸湿后期存在明显的阶段吸湿现象;提出的阶段吸湿模型具有较高的分析精度,阶段吸湿模型的吸湿曲线与有限元仿真结果保持一致,计算误差在5%以内;水分浓度分布结果揭示复合材料加筋壁板的阶段吸湿机制,结构在不同厚度的吸湿平衡速率差异是导致阶段吸湿现象的主要原因。

含有分层损伤的复合材料加筋层合板的屈曲性态研究

基于 Mindin假定推导了考虑剪切的复合材料加筋层板的有限元列式 ,并在此基础上计算出筋间基板含嵌入分层以及筋与基板连接处含穿透分层的加筋层合板在受压缩载荷情况下的屈曲模式和临界力。本文所给出的有限元方法及结论对从事复合材料结构设计的工程人员具有参考价值。

不同工艺成型复合材料加筋板轴压破坏机理分析

对受到边界约束的不同工艺成型复合材料加筋板进行了轴压试验和数值模拟,研究二次胶接和共固化工艺成型加筋板轴向压缩破坏机理。轴压试验中,通过应变计实时监测试验件局部屈曲,及时记录试验件初始声响载荷,通过断面观测分析结构破坏机理。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟结构后屈曲损伤渐进直至破坏过程。计算结果和试验结果相吻合,研究表明工艺对结构稳定性及承载能力没有显著影响,而加筋板构型影响较大。聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide,PMI)泡沫不影响结构失稳载荷及破坏载荷,但能延缓结构初始损伤的发生。二次胶接成型加筋板界面临近破坏才出现损伤,而共固化成型加筋板界面损伤出现较早且扩展缓慢,表现出更好的损伤阻抗特性。

复合材料加筋壁板的结构布局优化设计

一个二级优化设计方法被用于复合材料加筋壁板的结构布局优化设计。第一级对加筋壁板的主要截面尺寸进行优化,着重把筋条间距作为设计变量,其中讨论了各设计变量与结构稳定性之间的关系,以及结构质量与结构稳定性和刚度之间的关系。第二级以提高结构的屈曲因子为目标函数,采用遗传算法进行固定铺层数下的铺层顺序优化。在优化的过程中,应用软件MSC.Patran/Nastran进行具体的结构有限元分析,保证计算的准确性,同时也考虑了设计规则和生产工艺等方面对复合材料结构的要求。计算结果表明,采用二级优化设计的方法是可行的。

复合材料加筋壁板的抗冰雹冲击动力响应及损伤预测

为了解复合材料加筋结构受到冰雹冲击后的损伤特性,基于软件Abaqus建立了复合材料加筋结构的有限元模型,采用光滑粒子法模拟了冰雹撞击的过程,分析了冲击位置、冲击能量及冲击入射角对复合材料加筋壁板冲击动力响应的影响,探讨了面板与筋条的分层和面板的损伤情况,通过对比数值模拟与试验结果验证了文中所建有限元模型的准确性.在各种损伤形式中,基体的拉伸损伤和面板与筋条的分层损伤最为显著;冲击点为筋条的边缘时,面板与筋条的分层损伤最为严重.

任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲行为的解析解

给出了一种求解任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲问题的解析方法。首先将加筋板简化为受弹簧约束的层合板,而后通过构造位移函数,并利用伽辽金法得到了加筋板压缩、剪切和压剪载荷下的屈曲/后屈曲解析解。求解中引入了无量纲参数,使得结果更具一般性;在后屈曲行为中考虑了初始缺陷和由耦合刚度引起的前屈曲挠度,使得结果更加准确。通过与有限元结果的比较,讨论了几何参数、弹簧刚度等对解的影响。最后将该方法应用于T形加筋对称铺层复合材料加筋板的屈曲/后屈曲分析中,考虑T形筋对复合材料层板粘结区的刚度增强作用,采用刚度平均化方法引入增强效果,并与两种T形筋刚度简化模型以及有限元结果进行了比较,验证刚度平均化方法对计算加筋板屈曲/后屈曲行为的有效性。

含分层损伤复合材料加筋层合板的动承载能力

采用有限元方法研究了含穿透分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应和承载能力。根据复合材料层合板一阶剪切理论,推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式;同时采用Adams应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法,构造了相应的阻尼阵列式;为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象,建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析中分层分析模型和虚拟界面联接模型。并采用Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法,对在动荷载作用下含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了破坏和承载能力分析。通过典型算例分析,分别讨论了外载频率、分层深度、筋的位置以及破坏过程中刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征和承载能力的影响,得到了一些具有理论和工程价值的结论。

湿热环境对复合材料加筋板压缩性能的影响

使纤维增强树脂基复合材料加筋板在70℃、水浴条件下达到吸湿平衡,然后对普通加筋板和吸湿平衡后加筋板进行压缩试验,研究了湿热环境对复合材料屈曲形式、屈曲载荷、破坏载荷和承载能力的影响。结果表明:两种加筋板的破坏形式均主要表现为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂,吸湿后的加筋板仍存在后屈曲过程,但其屈曲载荷下降了8.4%,破坏载荷下降了19.2%。

含离散源损伤复合材料加筋板的拉伸特性

通过对含有离散源损伤的复合材料加筋板的拉伸试验和有限元模拟,研究了离散源损伤的损伤扩展与破坏特性。结果表明:复合材料加筋板的离散源损伤用穿透蒙皮切断桁条的切口来模拟是合适的,蒙皮上的穿透切口前端有很高的应力集中,桁条被切断导致加筋板传力路线改变;基于Hashin失效准则的渐进损伤有限元数值模拟方法,可以有效地模拟含切口加筋板的宏观损伤扩展和破坏过程,计算结果与试验值吻合较好。