民用飞机垂尾盒段肋组件制造技术研究

围绕民用飞机垂尾盒段肋组件的成型技术开展研究,从肋本体厚度调控、肋本体表面质量提升、肋组件二次胶接质量控制等方面进行探索,制定零件的制造工艺流程。经过多次零件稳定生产制造验证,通过采用上述工艺成型的零件表面质量好,厚度控制效果显著,且零件外形尺寸符合设计要求,内部无缺陷,为同类型飞机肋零件制造提供技术支持。

HHT在复合材料机翼盒段结构小损伤检测中的应用

提出一种检测结构微损伤的时域方法,利用H ILBERT-HUANG变换技术,研究了悬臂机体盒段结构的损伤振动检测问题,并引入轴对称信号扩展法解决EMD过程中的端点效应。用EMD技术分解完好盒段与损伤盒段在方波信号激励下的动力响应信号,得到一系列IMF分量;然后求出各阶IMF分量对应的瞬时频率,从中提取出结构损伤信息-瞬时频率变化量,作为损伤特征参数;并研究了将之作为损伤特征参数的抗噪声干扰能力。

基于准分布式光纤光栅传感器的机翼盒段载荷监测

以某型飞机机翼盒段为研究对象,建立了盒段试件的有限元模型,分析外载荷和应变分布之间关系。采用波分复用形式构建了分布式光纤Bragg光栅传感网络测量盒段试件的应变,设计了网络中光纤传感器的排布方式,在此基础上研究了传感网络的温度补偿方法。运用波长监测方法对盒段结构承受的不同载荷进行了实验研究。结果表明,传感器的波长偏移与载荷成线性关系,斜率由于加载点位置的变化而不同。传感器的最大载荷监测灵敏度达3.09 pm/N。

复合材料盒段弯曲试验与数值研究

为了确定垂直尾翼承力盒段与机身连接形式,并获取两种方案所构成盒段的力学性能数据,对垂直尾翼承力盒段进行了弯曲试验,得到了壁板上的应变分布状态。应用有限元软件ANSYS建立了垂直尾翼承力盒段的有限元模型,通过分析计算得到了盒段的弯曲极限载荷和壁板的应变云图。分析数值模拟结果与试验结果,比较了两种盒段在弯曲载荷作用下的力学性能。载荷达到极限载荷的50%之前,盒段根部的载荷-位移曲线和蒙皮上的载荷-应变曲线均呈线性关系。通过比较数值模拟结果和试验结果,验证了数值模拟的可行性。

复合材料波纹梁盒段耐撞性的数值模拟

运用MSC/DYTRAN有限元软件,结合参数等效的方法对复合材料波纹梁盒段的碰撞过程进行了数值模拟,获得了波纹梁盒段碰撞时的破坏过程、载荷-时间曲线、能量吸收能力等数据,将计算结果与M.A.McCarthy的试验结果进行对比,可以发现两者比较吻合。从而说明采用参数等效的方法可以得到复合材料结构耐坠撞性设计中需要的数据。

复合材料多墙盒段后屈曲的破坏预测方法

目前复合材料垂尾已广泛运用在多种飞机型号上,为了保证结构安全,研究复合材料垂尾盒段的力学特性十分必要。建立在弯剪载荷下垂尾盒段屈曲和后屈曲的模型,重点研究了在弯剪载荷下后屈曲诱发的盒段蒙皮铺层间、蒙皮/缘条之间界面的失效问题;其中蒙皮铺层之间采用实体单元进行连接,连接界面采用二次应力准则作为损伤的起始判据,能量混合准则作为损伤的扩展判据,并且自定义损伤变量实现刚度的非线性衰减;蒙皮与缘条之间采用cohesive单元模拟胶层;复合材料壁板采用断裂面准则作为失效判据,该判据能有效判断基体的失效。该模型基于Abaqus动态显式分析步,屈曲模态、屈曲载荷、破坏形式与极限载荷与实验吻合良好,证明了该方法的有效性。

基于动态显式分析的复合材料盒段失效模拟

为了研究复合材料结构失效过程并为强度设计提供分析依据,对结构进行失效模拟。在静态隐式分析中,材料的失效和破坏常常导致严重的不收敛。针对复合材料多墙盒段结构,采用动态显式分析方法对弯曲载荷工况进行了试验模拟。壁板和墙均采用层壳元,在上壁板中面嵌入一层体元模拟层间失效,利用用户自定义材料(VUMAT)的方法对材料性能进行连续衰减,并进行渐进式失效分析。分析表明,动态显式分析避免了不收敛问题,能比较准确地模拟复合材料盒段的失效过程,无论是应变、屈曲载荷、破坏载荷,还是破坏形式,分析结果均与试验结果吻合较好,屈曲载荷、破坏载荷的预测值与试验结果误差在7%以内。表明本文方法可以满足工程设计和分析要求。

复合材料盒段结构稳定性分析

分别采用线性和非线性的有限元方法,对复合材料加筋壁板盒段结构的扭转稳定性和弯曲稳定性进行了计算,并将计算结果与试验结果进行了对比分析。扭转载荷下线性和非线性的计算结果都与试验数据接近;弯曲载荷下的非线性计算的结果比较接近试验结果,线性计算的结果与试验结果误差较大。分析表明非线性方法适合复合材料盒段结构的稳定性计算。最后,进一步分析了导致线性计算误差较大的原因。

复合材料盒段试验夹具非线性变形机理与补强措施

在一复合材料盒段结构弯曲试验中,高载荷下试验件并未失效,但试件和夹具整体结构刚度低于预试试验值,呈现逐渐降低趋势,过大的变形消耗了作动缸行程,致使最大加载载荷低于预期值,卸载后整体结构有残余变形。根据有限元计算结果和试验数据,对多种可能的原因进行分析。结论为夹具金属盒段中,连接上、下壁板与纵墙缘条时使用了全螺纹螺栓,尽管极限强度满足要求,但螺纹在高载荷下产生了塑性变形,导致螺栓限位能力不足,夹具变形偏大。针对该原因,在不拆卸试验结构的情况下,更换夹具金属盒段中部分全螺纹螺栓为抗剪螺栓,再次进行试验。结果显示,结构变形的非线性现象消失,最大加载载荷提高16.6%,卸载后夹具无残余形变,证明了原因预测与夹具补强方案的正确性。

基于确定性裂纹增长方法的盒段寿命评估

对一种典型的航空铝合金铆接盒段结构进行疲劳试验,针对该试验,结合有限元分析,采用确定性裂纹增长方法进行了寿命评估。评估和试验结果表明:该评估方法具有良好的评估精度。

复合材料盒段耐久性／损伤容限试验研究

纤维增强复合材料结构的耐久性／损伤容限设计是目前飞机设计中极为关注的问题，但是，有关这方面的理论分析尚未成熟，本文通过对复合材料盒段的耐久性／损伤容限的试验研究，得到一些有关复合材料结构耐久性／损伤容限设计的结呆，可供复合材料结构设计和进一步理论探讨引介。

尾翼盒段主承力结构用高温固化碳纤维复合材料性能应用研究

为了获得成套材料性能数据,为制件工艺性提供支持,并确定是否满足民用飞机设计和使用要求等,针对两组各三个批次的高温固化环氧树脂碳纤维复合材料,采用热压罐工艺制备,并对预浸料及层合板物理性能和3种环境条件下的基本层合板力学性能进行了研究。结果表明,两组预浸料树脂挥发份小,树脂流动度和凝胶时间适中,工艺性良好;该两组复合材料孔隙率小,纤维体积分数适中,耐温、耐湿热和界面粘结性能均较好,且M21体系复合材料的综合性能稍优于CYCOM 977-2体系复合材料,其结果均基本能满足某型民机尾翼盒段设计和使用要求,为该类材料的后续应用发展提供了依据。

复合材料多墙盒段的有限元分析

本文在复合材料多墙盒段的静强度试验的基础上,考虑了试验件的实际的加载、支持状态,并采用合适的有限元单元对复合材料多墙结构进行了合理的简化,建立了多墙盒段的有限元模型。通过线性静强度和屈曲的有限元分析,计算结果与试验结果取得了较好的一致性。

基于可行方向法的机翼盒段结构参数优化设计

利用TCL语言对Hyper Works进行二次开发,建立翼盒长桁与蒙皮面积比以及上蒙皮、梁腹板局部稳定性响应并关联部件几何参数。在可行方向法的基础上提出了小步长迭代分层优化方法,以民用飞机为例,对机翼盒段进行参数优化设计,实现了翼盒结构减重。

复合材料盒段颤振特性试验研究

本文介绍了一个复合材料盒段的颤振特性试验研究,包括地面共振试验。风洞颤振试验和计算分析。试验盒段为骨架-蒙皮式结构。一个试验盒段蒙皮为复合材料,另一个试验盒段蒙皮为铝合金。两种试验盒段骨架相同,均为铝合金梁架;两种试验盒段蒙皮厚度亦相同。试验和计算表明,复合材料盒段比铝合金合段颤振速度提高16.7％,盒段总质量减少17.7％。

直升机盒段件垂直入水数值仿真与试验

为了对直升机盒段件入水载荷进行分析,开展了模型垂直入水冲击试验,同时采用有限元-光滑粒子流体动力学(finite element method-smooth particle hydrodynamics,简称FEM-SPH)耦合数值方法进行仿真分析,计算了不同材料构型和速度下的过载、压力及应变结果。与试验结果进行对比表明,仿真结果与试验值吻合较好,预测的结构失效破坏模式与试验结果基本一致,可为真实直升机入水冲击的结构设计提供参考。

复合材料盒段静力、耐久性和损伤容限一体化试验研究

本文通过某军机机翼整体油箱盒段在国内首次成功地完成了静力、耐久性和损伤容限一体化试验,给出了一整套符合结构完整性大纲要求的验证技术和工程上实用的试验程序;探索了试件上预制模拟各种低速冲击的人工损伤对复合材料结构静力、耐久性和损伤害限特性的影响程度;证实了用加重谱进行复合材料结构耐久性和损伤容限试验是解决复合材料疲劳分散性的有效技术途径;证明了复合材料盒段在引入冲击损伤后用加重谱进行耐久性试验,其密封功能仍满足国军标要求;验证了以冲击压缩破坏曲线的门槛值为基础确定设计许用应变值进行设计的复合材料结构具有“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”特性。同时指出了该设计思想的保守性和局限性,提出了更新上述设计思想的研究方向。

复合材料盒段耐久性损伤容限试验研究

以冲击损伤容限设计思想为基础,按冲击压缩破坏曲线的门槛值确定设计许用值进行设计的复合材料结构,一般认为“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”的结论成立,DAC8号复合材料机翼的设计遵循了这一设计思想。为验证上述结论选取复合材料机翼主受力盒段即油箱盒段,进行了耐久性损伤容限试验研究。结果表明,引入8～15J人工冲击损伤4处,并在1.15倍加重谱下进行了2倍寿命耐久性试验和2倍寿命损伤容限试验的结构,其剩余承载能力仍达到无损结构承载能力的80％以上,且试验过程中和试验结束后的无损检测均未发现预制的人工损伤发生扩展,证实了“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”结论的正确性。

某型飞机后边条焊接盒段优化研究

某型飞机后边条焊接盒段是用于安装平尾的重要受力构件,由材料为30CrMnSiA的板弯件、机加件及加强筋焊接组合而成。由于盒段焊缝数量多、零件壁厚薄,故在组合焊接时容易出现焊接变形、变形后校形困难等问题,使焊缝质量难以保证。本文对焊接盒段结构方案进行了优化研究,在最终选定的结构优化方案中,其盒段壁板为整体机加成型,大量采用机械连接,焊缝数量少,焊接形式简单,缩短了盒段的焊接周期,改善了焊接盒段生产的工艺性,满足了该型号飞机的批产要求。