基于离散损伤模型的复合材料双悬臂梁分层疲劳扩展分析

基于扩展逐层理论(Extended layerwise method,XLWM)、离散损伤模型(Discrete damage zone model,DDZM)和Peerlings损伤定律,建立了可以分析复合材料结构分层损伤疲劳扩展的疲劳渐进扩展逐层方法 (Fatigue progressive extended layerwise method,FPXLWM)。首先对HTC/6736A碳纤维双悬臂梁进行分析,施加恒定弯矩,验证该方法的正确性;然后通过计算多组Paris曲线,确定模型的疲劳参数,对HTC/6736A碳纤维双悬臂梁分层疲劳扩展机制进行深入探讨。

复合材料机翼壁板离散源损伤修理评估方法

针对含离散源损伤复合材料机翼壁板机械连接修理结构,开展了机械连接修理结构渐进式破坏有限元分析技术的研究和验证。建立了利用梁元耦合解析刚性面模拟螺钉,采用适用于平面应力状态的LaRC05强度准则和B-K准则作为复合材料层板和胶接界面失效判据的机械连接修理结构有限元分析模型。在此基础上,通过编写用户自定义材料子程序(UMAT),实现了材料失效准则与刚度退化方案在商用软件Abaqus中的应用和机械连接修理结构承载能力的求解。计算结果表明,对于大规模螺钉连接的复杂修理结构,所采用的有限元建模和分析方法有效可行。与试验结果相比,结构承载能力数值分析与试验值吻合良好,误差在5%以内,预测的失效模式也与试验结果一致。

含离散源损伤复合材料加筋板的压缩特性

通过对含有离散源损伤的复合材料加筋板的压缩实验和有限元模拟,研究了离散源损伤的损伤扩展与破坏特性以及对复合材料加筋板剩余强度的影响。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变集中,桁条被切断导致加筋板传力路线改变;离散源损伤使复合材料加筋板的压缩强度下降显著,达到60%左右;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,计算结果与实验值吻合较好。

复合材料机翼壁板离散源损伤修理技术研究

由于机翼为主承力结构,蒙皮修理主要采用机械连接修理方式,针对民机复合材料机翼下蒙皮壁板结构的离散源损伤开展了修理方案设计、试验验证、有限元分析及改进设计研究。首先,根据损伤类型和下蒙皮壁板的传载特性,设计了机械连接金属补片修理方案,并制造了包括含损伤和损伤修理两类试验件,进行了试验验证,修理后承载能力提高了124%,能够满足一般民机复合材料机翼蒙皮设计许用应变。然后,建立了两类试验件的有限元模型,进行了进一步计算分析,通过对试验数据和计算结果的对比分析发现,原修理方案偏于保守,增加了结构重量成本。最后,经计算分析提出了三种改进的修理设计方案,改进后的修理构型II承载能力相对于原修理方案提高了4.7%,而结构重量降低了3.9%,该修理方法可为今后民机复合材料机翼修理方案的设计提供参考。

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。

含离散源损伤Z向增强复合材料加筋板压缩特性研究

以含穿透中央筋条的切口模拟离散源损伤,对无增强、Z-pin增强、改进锁式缝合增强、Tufting缝合增强复合材料加筋板进行轴向压缩试验,研究含离散源损伤Z向增强加筋板的损伤扩展模式与破坏特征。结果表明,壁板和筋条间的Z向增强有效控制了壁板与筋条的脱粘,提高了加筋板的屈曲载荷。切口前端的分层只引起局部的屈曲,沿切口方向未切断筋条的断裂和壁板边缘的突然压溃导致加筋板的最终破坏。三维有限元渐进损伤分析结果显示,选用Hashin判据作为失效判据,可以很好地模拟含离散源损伤复合材料加筋板的轴向压缩渐进损伤过程。采用线约束模拟壁板与筋条翼缘之间的Z向增强是合理的,线约束的引入在损伤扩展至筋条下方壁板区域后有效控制了损伤的扩展。

含离散源损伤复合材料加筋板剩余强度及其修理技术研究

飞机复合材料结构在使用过程中难免遭受离散源损伤,这种损伤会严重降低结构的承载能力。针对含穿透性切口的复合材料加筋板,采用试验和数值分析方法研究其拉伸载荷作用下的剩余强度,并根据设计应变设计了金属补片机械连接修理方案,提出了一种评估复合材料机械连接修理结构剩余强度的数值分析方法。分析方法以有限元模拟为主,用壳元模拟层压板,用梁元模拟紧固件,用多点约束模拟紧固件与孔的接触,用0°层点应力准则预估复合材料破坏载荷。通过试验验证了评估方法,得到了修理结构强度恢复率。本文的研究对于飞机复合材料结构修理技术研究有一定的借鉴意义。

基于等效板的含离散源损伤机翼结构分析

研究离散源损伤对机翼结构的影响,可以大幅度提高飞机在不良损伤事故下的生存能力。由于机翼内部结构复杂,很难对含离散源损伤机翼结构进行精确分析,而且精确的建模和仿真在建模与计算过程中往往也非常耗时。因此,以含离散源损伤机翼为对象,采用有限元优化设计方法,确立了一种机翼结构等效板模型的建模方法。建立的等效板模型可对含离散源损伤机翼实现快速、准确的静力学和动力学分析。

基于等效板方法的离散源损伤壁板动力学分析

等效板方法是针对板壳状结构建立力学代理模型的一种高效分析方法。分别针对典型加筋壁板在完好和含离散源损伤的两种情况下进行等效板建立方法研究。在等效板建模过程中,应用有限元分析方法求解结构静变形和固有特性,利用优化算法发展等效板建立的方法,使用多项式定义设计变量的控制方程。对于完好壁板,等效板与目标板静变形结果一致,主要模态及频率一致;对于含离散源损伤板的情况,通过设定模态权重系数,可使等效板的主要模态和频率与目标模型吻合,从而验证等效板建立方法的正确性和用于分析结构动力学问题的准确性。等效板方法为含离散源损伤的复杂结构的动力学分析提供了一种有效手段。

多处损伤结构的损伤诊断

利用损伤前后结构自由振动有限元离散方程的变化 ,确定结构的损伤位置 ;并以低阶模态作为状态变量 ,由最小二乘法建立目标函数 ,通过非线性迭代得到损伤程度的识别值。由算例结果可知 。

基于逐层理论的复合材料层合结构分层损伤扩展研究

首先,将虚拟裂纹闭合技术(VCCT)和离散损伤模型(DDZM)引入逐层理论(LWT),建立了含分层损伤复合材料层合结构的三维分析模型,对分层损伤的渐进萌生和扩展行为进行了研究。然后,编写了相应的C++程序,通过与经典文献进行对比,验证本文方法的正确性。最后,基于本文模型模拟了二维和三维复合材料双悬臂梁(DCB)纯I型分层损伤的渐进扩展行为,研究了网格尺寸对数值收敛性的影响,以及界面强度对载荷位移曲线的影响规律。本文方法将三种理论优势融合起来,使逐层理论可用于解决复合材料分层损伤扩展的问题,并且很大程度上提高了计算效率。

含离散源损伤的复合材料壁板的剩余强度评估

为研究含离散源损伤的碳纤维增强树脂基复合材料曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度,对7长桁4框的复合材料曲面帽形加筋壁板进行了试验和分析。结果表明,与离散源损伤距离超过1个典型长桁间距壁板的蒙皮和长桁在轴压载荷作用下轴向应变分布较均匀;加载过程中,损伤区附近应力重新分配,降低了应力集中,离散源损伤可简化为圆孔;基于FD判据和经典层压板理论的计算方法能较准确的计算出含离散源损伤的曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度;并针对复合材料曲面帽形加筋壁板的结构特点、应变分布特征及破坏模式提出一种在内压-轴压联合载荷下轴向剩余强度的工程估算方法;计算结果均与试验结果吻合较好。

复合材料加筋壁板修理后压缩性能试验研究

由于机翼为主承力结构,蒙皮修理主要采用机械连接修理方式。本文针对民机复合材料机翼上蒙皮壁板结构的离散源损伤开展了修理方案设计、试验验证及分析研究。首先,根据损伤类型和上蒙皮壁板的传载特性,设计了机械连接金属补片修理方案,并制造了包括损伤和损伤修理两类试验件,进行了试验验证,修理后承载能力提高了133%,能够满足一般民机复合材料机翼蒙皮设计许用应变的要求。但该修理方法使得试验件修理区域较原结构刚度偏大,造成试验件修理区域承载高于两侧长桁。另外,修理补片会造成试验件提前出现载荷偏心弯曲。虽然修理补片的刚度和强度还有待进一步优化,但该修理方法依然可为今后民机复合材料机翼修理方案的设计提供参考。

含离散源损伤的复合材料加筋壁板的剩余强度

为研究含离散源损伤的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度,对7长桁、4框的复合材料曲面帽形加筋壁板进行试验和分析研究。结果表明,与离散源损伤距离超过1个典型长桁间距壁板的蒙皮和长桁在轴压载荷作用下轴向应变分布较均匀;加载过程中,损伤区附近应力重新分配,降低了应力集中,离散源损伤可简化为圆孔;基于FD判据和经典层压板理论的计算方法能较准确的计算出含离散源损伤的曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度;并针对复合材料曲面帽形加筋壁板的结构特点、应变分布特征及破坏模式,提出一种在内压-轴压联合载荷下轴向剩余强度的工程估算方法;计算结果均与试验结果吻合较好。

飞机设计中发动机转子碎片非包容性设计

基于一种双发常规布局飞机进行飞机设计中发动机转子碎片非包容失效设计的研究,通过研究相关适航规章,以及相关咨询通告等文件,得出第3节到第7节所描述的对咨询通告AC20-128A适当裁剪的工程方法和步骤,并在实例机型设计中进行验证,缩短了飞机研制周期的同时,也表明在发动机转子碎片非包容失效事故发生后,飞机系统及机体结构等采取的设计措施、防范措施符合相关适航条例要求,也即结构剩余的强度、灾难性事件发生概率等满足AC20-128A第10条c中的定性和定量要求,表明该型实例飞机完全满足相关适航条例的要求,并获得中国民用航空局(CAAC)和美国联邦航空局(FAA)的认可。