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。

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。

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。

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.

基于试验设计的复合材料加筋壁板不确定性研究

随着航空结构系统的复杂化、多样化与大型化,结构高承载能力与轻量化的需求日益紧迫。复合材料加筋壁板因其比强度高、比模量高以及优异的承载性能,在飞机机翼上下壁板、机身曲板等部段得到了大量的应用。但复合材料易受加工精度影响,材料性能表现出极大的分散性,具有不可忽视的不确定性,即使参数发生微小波动,对结构的承载能力影响都是十分严重的。因此,对复合材料加筋壁板的设计必须考虑不确定性的影响。本文针对复合材料加筋壁板开展不确定性的研究,首先基于正交试验设计对不确定性参数进行显著性分析,然后利用少量、关键参数进行中心组合试验设计,从而构建显著参数与结构响应特性之间的响应面,通过蒙特卡洛模拟获得结构响应特性的分布特征,并与试验对比,确定分析流程的可行性。结果表明:对复合材料加筋壁板屈曲载荷有显著影响的参数主要有:壁板单层厚度、筋条腹板高度、筋条间距以及沿纤维方向弹性模量,在显著性参数服从正态分布下,屈曲特性也服从于正态分布。本文所采用的不确定性分析基本流程对有限元模型修正与复合材料加筋壁板设计具有指导意义。

复合材料加筋壁板的后屈曲逐步损伤及承载能力研究

通过对复合材料加筋壁板的后屈曲有限元分析和试验,给出了复合材料加筋壁板的临界载荷、损伤演化和后屈曲承载能力。理论预测与试验结果符合情况良好。

共固化成型复合材料加筋壁板的固化变形仿真技术研究

针对共固化成型的复合材料加筋壁板,建立了固化变形模拟计算流程,并开展了T800碳纤维/环氧树脂复合材料工形加筋壁板的固化变形预测,数值预测结果与试验测试结果吻合较好,验证了计算方法的合理性;基于模拟计算,进一步分析了温度工艺参数包括升/降温速率、保温时间等以及结构尺寸参数包括长桁宽度、高度和圆角半径等对加筋壁板固化变形的影响规律,从工艺设计和结构设计角度为共固化成型加筋壁板的固化变形控制提供指导和依据。

复合材料加筋壁板长桁终止端失效分析

为了研究复合材料加筋壁板长桁终止端在轴压载荷作用下的破坏机制,基于ABAQUS有限元软件中的连续壳单元和cohesive单元建立了有限元模型,在该模型中,采用hashin准则预测面内损伤,而对于壁板与长桁缘条之间的脱胶损伤的起始与扩展,则采用cohesive单元进行模拟。采用该模型对复合材料加筋壁板长桁终止端在轴压载荷作用下的破坏过程进行仿真,仿真结果与试验结果相比较表明,所建立的有限元分析模型能较好地模拟加筋壁板长桁终止端在轴压载荷作用下壁板与长桁缘条间的脱胶过程,且能较好地预测该结构的承载能力与分层面积。

复合材料加筋壁板剪切屈曲工程算法验证研究

通过某型飞机的一组典型试验件的剪切试验获得的相关试验结果,使用正交各向异性矩形层压平板的剪切屈曲载荷计算公式,选用相关计算参数,并将工程理论计算结果与试验结果进行对比。研究结果发现,对文中典型试验件进行理论计算时,板元参数中当蒙皮铺层厚度选择不考虑加筋桁条底脚而取原铺层厚度、宽度选择考虑加筋桁条底脚支撑作用,计算的最终五组结果与试验值绝对误差均最小,并且小于5%。

筋条形状对复合材料加筋壁板低速冲击动态响应的影响

针对复合材料加筋壁板的抗冲击问题,着重考虑筋条形状对其冲击动态响应的影响。通过局部细化的方法分别建立T型、工字型和帽型筋条的复合材料加筋壁板的有限元分析模型,采用黏结接触模拟层与层之间的界面,分析了3种筋条形状的复合材料加筋壁板在低速冲击下的动态响应和损伤情况。根据数值计算结果发现:结构的动态响应与冲击位置的刚度密切相关,T型和工字型筋条复合材料加筋壁板在冲击位置以外的区域发生翘曲;此时T型和工字型筋条的基体拉伸损伤不仅形状相似,而且损伤面积相近;蒙皮与筋条界面相邻两层的铺层角影响分层损伤的面积。

复合材料加筋壁板结构工程化优化设计

针对飞机结构减重的需求,对复合材料加筋壁板结构的优化设计工程化方法进行发展和研究。为减少优化规模,采用布局尺寸优化和铺层顺序优化两级优化的策略进行优化。布局尺寸优化采用内点罚函数法、Powell方法和黄金分割法,在保证稳定性约束条件下减少结构重量;铺层顺序优化运用了铺层参数的概念来提高优化效率。算例表明,该方法在满足约束条件的情况下,很好地实现了结构的减重,且求解效率较高,方便工程实用。

复合材料加筋壁板长桁蒙皮剥离失效分析

为了研究复合材料加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,基于ABAQUS有限元软件中的连续壳单元和Cohesive单元建立了有限元模型。在该模型中,采用Hashin准则预测面内损伤,而对于蒙皮与长桁缘条之间脱胶损伤的起始与扩展,则采用Cohesive单元进行模拟。采用该模型对复合材料加筋壁板蒙皮与长桁在纯弯载荷作用下的破坏过程进行仿真,仿真结果与试验结果相比较表明,本文建立的有限元分析模型能较好地模拟加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,并且能较好地预测该结构的剥离强度。

复合材料加筋壁板结构筋条倒角对蒙皮铺层褶皱及纤维屈曲的影响

针对复合材料加筋壁板干筋条湿蒙皮共胶接工艺,提出对已固化筋条进行倒角,消除共胶接过程因筋条导致的蒙皮铺层褶皱和纤维屈曲。通过截面金相显微分析研究了筋条倒角对蒙皮铺层褶皱和纤维屈曲的影响规律,通过建立悬臂梁模型分析了筋条倒角对加筋壁板刚性的影响。结果表明,筋条倒角后,蒙皮铺层褶皱消除,随筋条倒角角度的减小,铺层内纤维屈曲情况逐渐减弱,加筋壁板刚性先增加后降低,在倒角角度为30°时可以得到较优的综合性能。

复合材料加筋壁板多点冲击损伤和高周剪切疲劳试验

为研究多点冲击损伤和高周剪切疲劳对复合材料加筋壁板损伤演化、屈曲行为及破坏模式的影响,制作了9块相同构型的复合材料加筋壁板,设计了冲击试验、高周剪切疲劳试验和剩余剪切强度试验。在多点冲击和高周剪切疲劳试验过程中,使用超声C扫描系统监测了损伤区域。C扫描图像表明损伤区域的长度和宽度随着循环次数的增加而增加。与无预制损伤试验件相比,多点冲击损伤和高周剪切疲劳试验件的平均破坏载荷下降了约50%。冲击或疲劳形成的初始损伤对破坏模式产生影响,冲击疲劳试验件出现了局部蒙皮屈曲变形,破坏裂纹非常接近冲击点。

考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化

提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法,系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式,考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响,引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库,以铺层参数为中间变量,利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法,构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现,将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法,本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明,采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法,在结构重量不变的前提下,屈曲载荷提高约17%,且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。

复合材料开口加筋壁板承载性能分析

为研究复合材料开口加筋壁板承载能力和失效模式,设计实施了壁板压缩试验,并基于复合材料层合板剪切理论和金属塑性硬化理论建立了复合材料开口加筋壁板有限元模型,研究了边界条件对壁板承载能力的影响,提出在加载边施加简支及铰弹簧约束,较好地模拟了壁板压缩失效过程。通过对比发现,压缩试验与仿真计算的失效模式均为壁板中部弯曲,对于开口附近位移结果光测试验和仿真计算误差小于6.3%。采用二维Hashin准则和最大应力准则分别评估了各铺层纤维损伤趋势和桁条塑性特征,并结合承力构件损伤程度分析了开口加筋壁板的压缩破坏机制。

基于代理模型的复合材料加筋壁板分层损伤定量监测方法

通过建立损伤指数与分层损伤参数间的定量关系,对复合材料加筋壁板分层损伤进行准确定量监测,提出了一种基于代理模型的分层损伤定量监测方法。该方法包括代理模型的建立和逆求解两个过程,通过插值拟合方法建立表征分层损伤参数与损伤指数间定量关系的多项式代理模型;采用损伤概率成像算法获得相对距离和损伤指数,将其代入代理模型中,得到所对应的分层损伤面积;实现对分层损伤进行定量评估的目的。通过一个复合材料加筋壁板分层损伤的定量监测实验,对所提方法的有效性进行了验证。结果表明:基于代理模型的复合材料分层损伤定量监测方法可以实现对分层损伤位置的准确定位,定位误差低于6%;且可实现对分层面积的准确定量评估,定量误差不超过5%。

复合材料J型加筋壁板自动化成型技术研究

通过在复合材料加筋壁板中使用自动折弯技术制造最复杂的J型筋条,使用芯材拉挤自动化成型技术制造芯材,再采用共胶接的方法制造出了符合要求的复合材料加筋壁板,使复合材料筋条和芯材的自动化成型技术成功地运用到了复合材料加筋壁板零件的制造上,提高了生产效率并稳定了产品质量,为复合材料加筋壁板自动化生产线的建立奠定了基础。

考虑一体成型固化工艺的复合材料加筋壁板优化设计

一体成型固化工艺的复合材料加筋壁板,筋条的厚度与加筋壁板蒙皮的厚度是有关联的,传统的优化设计方法往往没有考虑这种关联性。文中提出了一种针对一体成型固化工艺特点的复合材料加筋壁板优化设计方法。该方法将加筋壁板的筋条与蒙皮拆解成2个子系统,把加筋板优化问题转化成模块化优化问题进行求解。算例表明,优化后复合材料加筋壁板,质量比优化前下降了45%,优化结果充分考虑了结构特点,文中的优化方法简单且优化效率高,为该类复合材料加筋壁板优化拓展了新思路。