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。

复合材料帽型加筋壁板轴压屈曲工程算法验证研究

计算复合材料加筋壁板轴向压缩屈曲载荷的方法会根据不同工况而各异。文章研究了四边简支、四边固支等边界条件下,考虑帽型加筋桁条底脚对蒙皮的支撑作用,按不同的厚度折算方式时,多种工程理论计算方法对复合材料帽型加筋壁板试验件轴向压缩屈曲载荷分析的适用性,并将工程理论计算结果与试验值进行了对比。计算结果表明,多种方法中只有四边固支,并假设桁条与蒙皮轴向刚度相等进行的加筋桁条底脚厚度折算时,最终计算的结果才与试验值吻合较好,误差在可接受范围。由于试验件批量若干,试验件的相关结构参数、铺层顺序以及边界条件具有典型性和代表性且与工程实际结构有相关性,故该方法对于飞机工程型号设计以及强度分析快速计算具有参考和借鉴意义。

复合材料帽型加筋壁板轴压稳定性研究

本文的主要目的是研究复合材料加筋壁板的失效模式与屈曲稳定性。根据真实飞机结构,采用了帽型加筋壁板试验件构型。在本文中,通过试验方法来研究帽型加筋壁板的稳定性,分析了壁板端部设计与端部加载夹具等因素。同时,提出了一种计算帽型加筋壁板的屈曲载荷的工程方法。计算结果与试验数据吻合的非常好。

缝合增强复合材料帽型加筋壁板界面拉脱性能

为了防止复合材料帽型加筋壁板结构在服役过程中发生筋条与蒙皮的脱粘失效,引入了缝合技术来提高筋条-蒙皮界面拉脱性能。采用单线弯针缝合设备缝合纤维编织布,通过真空辅助树脂灌注技术(VARI)固化成型,制备缝合帽型加筋壁板试样。通过对试样进行筋条拉脱试验和有限元数值模拟,研究界面的失效机制及缝合参数对帽型加筋壁板界面结合性能的影响规律。结果表明:在拉脱载荷作用下,缝合试样的峰值载荷比未缝合试样明显增大。帽型试样的拉脱承载力随缝合密度的增大先增加后减小,在缝合密度(注:缝合密度表示缝合针距(单位mm)×行距(单位mm),下文同)为5×10时,相比未缝合试样,最高增加了26.7%;帽型接头的拉脱承载力随缝线细度的增加而增加,在缝线细度为1500 D时增加了39.7%。蒙皮/筋条厚度比为2时,结构拉脱承载力增加了27.35%,缝合的增强效果最明显。

复合材料帽型加筋壁板结构VARI工艺模拟与制造技术研究

采用PAM-RTM软件,对帽型加筋壁板结构进行了树脂流道仿真与设计。过程中,分别对注射口和溢料口在蒙皮、筋条等典型区域的分布位置和数量,树脂重力及注射溢料开关顺序对壁板树脂渗透效果及注射时间的影响进行了分析对比。仿真结果表明:采用蒙皮边缘两端注射帽顶溢料、从零件边缘向中央区域依次关闭溢料口的流道设计,零件出现缺陷的概率最小。以此仿真结果为参考,开展了帽型筋条壁板VARI工装设计与制造,最终通过零件成型及质量检测验证了仿真分析结果的有效性。

碳纤维复合材料帽型加筋壁板的工程优化

采用多岛遗传算法(MIGA)和序列二次规划法(SQP),利用ABAQUS、Python和Isight来解决复合材料帽型加筋壁板几何设计参数的快速优化问题。针对实际产品特征和常见工况,对设计参数进行了合理有效的简化,并对影响纤维增强复合材料加筋壁板轴向压缩性能的主要因素进行了分析。此方法比较便捷并直面工程化,在产品设计中具有一定参考意义。

变厚度帽型长桁加筋壁板自动铺丝工艺成形技术研究

针对帽型长桁加筋壁板的自动铺丝工艺成形技术进行了研究,并提出了帽型长桁加筋壁板各工序的关键工艺参数,通过研究自动铺丝设备的结构设计和控制系统设计,探究了帽型长桁加筋壁板的自动铺丝成形工艺,明确了自动铺丝间隙控制和工艺参数设计的基础,为帽型长桁加筋壁板的自动铺丝工艺成形技术的研究形成了一定的技术积累,具有较好的应用前景和经济效益。

大尺寸泡沫填充帽型复合材料加筋壁板成型工艺研究

以大尺寸泡沫填充帽型复合材料加筋壁板为对象,针对影响其表面质量及内部质量的整体成型工艺方法进行研究。从壁板内R区加捻量、透气毡的铺放方式、压力垫的放置方式三个主要工艺参数考虑,以制件的表面质量、无损内部质量为衡量指标,开展了不同成型工艺参数下的试验验证。基于工艺参数影响规律研究结果,得到最佳表面质量、内部质量控制方法。对泡沫和蒙皮接触的内R区进行加捻时,按照计算公式可得到最佳捻条宽度。制袋时透气毡整体放置,可消除零件表面的压痕。此结构及尺寸的零件无需放置压力垫,但对于具有复杂几何过渡的零件,则必须考虑整体的压力垫设计。通过该研究,成功制造了9.5 m×0.9 m泡沫填充帽型复合材料加筋壁板。

基于等效模型的帽型复合材料加筋壁板优化设计

本工作提出了一种优化复合材料帽型加筋壁板稳定性的有效方法,该方法是基于在PATRAN软件中用单层板来模拟层合板的力学性能的想法。其中用层合板建的加筋板模型称为详细模型,改用单层板建的称为等效模型。对于航空结构中常见的帽型加筋壁板,本工作采用反映实际壁板形状的高精度有限元模型,分别建立了详细模型和等效模型。比较得出两种模型的一阶线性失稳因子和失稳应变基本一致,从而验证了将等效模型用于帽型加筋壁板结构稳定性分析的可行性。为了便于验证该优化方法的有效性,本工作只考虑加筋板的筋条厚度一致的情况。传统方法在优化蒙皮和筋条厚度时需要优化层合板的每个单层的铺层厚度和铺层顺序,本文提出的优化方法只需要解决单层板的厚度优化问题,相比本方法大大减少了设计变量。本工作用此方法优化得到了两个参数不同的复合材料帽型加筋板的最优屈曲性能,发现只需要2～4次迭代优化就可以收敛,收敛速度很快。

实验分析帽型加筋壁板填充芯材下方蒙皮褶皱成因

研究了碳纤维/环氧树脂复合材料帽型加筋壁板在长桁先固化、蒙皮未固化的共胶接工艺下,填充芯材下方蒙皮褶皱的形成过程及产生原因。测试了预浸料的树脂流变特性,由压力监测设备对填充芯材下方蒙皮内部压力进行监测获得了其内部压力的分布,采用金相显微镜对褶皱进行了表征。结果表明:在树脂流动的窗口期,当填充芯材下方蒙皮内部出现压力差时,树脂向低压区流动并聚集,导致褶皱产生。

Z-pin增强复合材料帽型单加筋板弯曲性能

针对复合材料帽型加筋壁板结构弯曲承载性能差的缺点,采用Z-pin增强技术提高弯曲承载性能。为研究Z-pin直径、体积分数、增强区长度对复合材料帽型加筋壁板弯曲性能的影响,制备了不同参数的Z-pin增强帽型加筋壁板试样并开展三点弯曲试验,对Z-pin增强机理及试样失效机制进行了分析。结果表明:随着体积分数的增加,由于Z-pin的桥联作用,Z-pin增强帽型加筋壁板弯曲性能提高,同时由于Z-pin植入产生的损伤增加,通过理论分析得到当Z-pin体积分数为2.6%时,弯曲峰值力达到最大值6.1kN;Z-pin直径对帽型加筋壁板弯曲峰值力影响不显著;当Z-pin增强区长度为总长度的48%时,Z-pin增强帽型加筋壁板弯曲峰值力与全部植入Z-pin时基本相当。

气囊硬度对固化后帽型长桁厚度的影响

为满足宽体客机机身轻质高强的要求,机身复合材料蒙皮需要长桁的支撑以提高复合材料壁板的刚度。为获得厚度均匀性良好的帽型长桁加筋壁板,对帽型长桁加筋壁板成型工艺中真空袋囊芯模的方法进行了改进,提出了一种硅橡胶囊芯模与真空袋囊芯模相结合的方法,获得了厚度均匀性良好的帽型长桁壁板,满足机身复合材料帽型长桁-蒙皮共固化成型时尺寸精度的要求。利用有限元仿真方法,研究了硅橡胶囊芯模截面尺寸、硅橡胶材料属性对长桁厚度均匀性的影响,结果发现所用硅橡胶囊芯模硬度越大,长桁尺寸均匀性越差。不同条件下所得长桁厚度对理论分析的准确性进行了验证。考虑硅橡胶硬度对长桁尺寸均匀性及工艺操作性的影响,最终选定所用硅橡胶气囊硬度为50HA,所得蒙皮-长桁实际测量的平均厚度与理论厚度偏差小于6%,细观分析发现蒙皮-长桁连接处纤维走向没有发生变形。