复合材料帽形加筋壁板加捻区质量问题研究

帽形加筋壁板结构的复合材料制件具有比强度高、比刚度高、可设计性良好等优点,在航空航天等工程领域得到了广泛的应用,而加筋结构的三角空隙必须使用捻条进行填充。采用“湿长桁+湿蒙皮”共固化工艺制造帽形加筋壁板复合材料制件时,发现捻条的外形会显著影响制件的成型质量。为了提高帽形加筋壁板制件的成型质量,研究了不同材质的长桁芯模、捻条制备方法、捻条填充量对加捻区长桁及蒙皮质量的影响。结果表明:由专用的加捻模具制备并在(60±5)℃的温度下预压实后,捻条预成型体的外形更精确,与其他结构配合更好;当捻条的填充量修正系数为1.1时,可有效避免蒙皮和长桁出现纤维褶皱;所选用的硅橡胶芯模固化成型后加捻区质量控制更好。

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。

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。

复合材料船体帽型加筋板弯曲应力

复合材料船体结构主要由纵向或横向加筋板架构成,定量计算弯曲应力是复合材料帽型加筋板强度设计的前提。本文利用变形协调和卡氏定理给出了复合材料帽型加筋板的横向和纵向弯曲刚度和弯曲内力,以及三点弯曲梁和均布压力作用下四边简支板的弯曲应力解析表达式。通过三点弯曲试验实测复合材料帽型加筋层合板的弯曲应力;采用ABAQUS有限元软件计算三点弯曲梁和四边简支加筋板的弯曲应力,并与解析解比较。结果表明:解析解与数值计算及试验结果吻合较好,验证了复合材料帽型加筋板弯曲应力解析表达式的正确性;该解析表达式具有较好的计算精度,可作为复合材料帽型加筋板强度设计依据。

复合材料船体帽型加筋板面内刚度

复合材料船体结构主要由加筋板架构成,其强度设计的核心问题之一在于定量计算复合材料加筋板面内刚度。为此,首先基于纵向和横向拉伸变形,利用变形协调和卡氏定理给出了复合材料帽型加筋层合板面内刚度的解析表达式;然后,开展了复合材料帽型加筋层合板纵向和横向拉伸实验,实测板的应变并与等效刚度对应的解析解进行比较;最后,用ABAQUS有限元软件计算复合材料帽型加筋板的应变和变形,折算出面内刚度。研究结果表明:解析解、数值解及实验值三者很接近,验证了等效面内刚度解析解的正确性,为复合材料帽型加筋板强度设计奠定了一定的理论基础。

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。

复合材料加筋壁板帽型筋条包覆层对界面脱粘起始的影响

复合材料加筋壁板结构广泛运用于现代飞机中,此类结构在工作状态下容易发生屈曲,大量试验表明飞机复合材料加筋薄壁结构破坏的主要原因是蒙皮与筋条间的脱粘。针对帽型单筋板内部包覆层对界面脱粘起始的影响进行了研究,对帽型筋条内部全包带捻子条、半包带捻子条、不包带捻子条的三种构型进行了试验和有限元分析。分析中蒙皮与内包层之间采用三维实体单元模拟界面胶层,采用Hashin准则作为复合材料失效判据。分析得到的破坏形式与极限载荷与试验吻合良好,证明了该方法的有效性,同时研究了内包层对凸缘蒙皮之间脱粘起始的影响和凸缘蒙皮间脱粘的历程。

复合材料高速船极限承载能力计算与可靠性分析

本文探讨复合材料高速船极限承载能力与可靠性。将Johnson梁柱极限强度公式推广应用于复合材料帽形加筋板格的极限强度分析,船体失效定义为船体所遭受的总纵冲击弯矩超过甲板/船底帽形加筋板格的极限强度。采用响应面法分析了复合材料高速船船体的可靠性,并计算了各随机变量的重要性因子和不确定性因子。文中给出的结论对复合材料高速船船体设计和进一步研究具有参考意义。

复合材料曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的屈曲及承载性能

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的屈曲及承载性能,对7长桁、4框的复合材料曲面帽形加筋壁板进行了试验研究。结果表明,内压能提高复合材料曲面帽形加筋壁板轴压屈曲载荷,联合载荷试验中加筋壁板破坏前无屈曲。以复合材料扁壳线性稳定性理论为基础,采用瑞利-里兹法和Kirchhoff假设得到了复合材料曲面加筋壁板在侧压、轴压、内压-轴压联合情况下的屈曲载荷解析表达式,并针对复合材料曲面帽形加筋壁板的结构特点和破坏模式提出一种在内压-轴压联合载荷下轴压破坏载荷的工程估算方法。将解析表达式和工程估算方法的计算结果与试验结果进行了对比,结果表明,解析表达式和工程估算方法与试验结果吻合,表明轴压、内压-轴压联合情况下的屈曲载荷解析表达式能用于屈曲载荷的预测,工程估算方法结构形式简洁,便于在复合材料曲面加筋壁板的设计中应用。

单舷侧散货船舷侧板架的结构冗余度验证

按照IMO对散货船结构冗余强度的要求,基于实船的板架破损假定和国际船级社协会的《散货船和双壳油船协调共同结构规范》(CSR-H)的板架屈曲失效准则,提出散货船舷侧结构冗余度GBS符合性验证的方法,包括舷侧板架结构冗余度衡准、损坏假定、载荷情形、非线性有限元垮塌分析等内容,采用所提方法进行实船验算。计算结果表明,按照CSR-H规范设计的散货船舷侧结构能够满足“任一加强筋的单一局部损伤不会导致整个加筋板格的垮塌”的强度要求,因而具有适当的结构冗余度。

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。

含预填块复合材料帽型单筋板弯曲性能研究

通过有限元分析对含预填块复合材料帽型单筋板弯曲承载能力和失效机制进行了预测,并完成试验验证。首先基于有限元软件ABAQUS,建立了含预填块帽型单筋板实体模型,完成了对筋条和蒙皮复合材料铺层及粘聚区界面的模拟。同时,本文根据Hashin准则和Tsai⁃Wu准则编写了UMAT子程序,完成了对模型的有限元仿真计算,并比较了两种准则的优劣。结果表明:有限元结果中模型的承载能力、损伤机制和失效位置和试验结果吻合,载荷⁃位移曲线大致一致。达到极限载荷时,共固化成型的含预填块复合材料帽型单筋板在筋条的短切纤维块与泡沫交界处发生“压断”破坏,导致结构承载能力下降,试验和仿真均未出现筋条与蒙皮脱粘现象。并且,增加筋条铺层层数和短切纤维块长度可有效提高结构承载能力。

复合材料帽型加筋板界面应力与失效模拟

基于内聚力模型,采用界面单元模拟筋条和蒙皮之间的粘接界面,建立了复合材料帽型加筋板结构的有限元模型,探究了复合材料帽型加筋板在四点弯曲载荷作用下的界面应力和脱粘失效问题。结果表明,胶层脱粘是复合材料帽型加筋板的主要失效形式,脱粘失效主要受剪应力的影响,脱粘导致加筋板承载能力下降,加剧了整体结构的损伤。

加筋靶板受到球形弹丸侵彻时的速度经验公式探讨

运用有限元模型仿真弹丸侵彻靶板的全过程,通过计算得到大量数据,然后在弹丸穿透平板时极限速度和剩余速度经验公式的基础上,来探讨弹丸穿透单筋板时的极限速度和剩余速度的经验公式。

船体复合材料帽型加筋板渐进破坏分析

复合材料加筋板复杂的破坏过程与失效形式增加了应用难度。以面外均布载荷与面内压缩联合作用下的夹芯复合材料帽型加筋板为研究对象,在通过试验结果验证非线性有限元方法准确性的基础上,基于复合材料的hashin准则与胶层界面的最大应力准则展开渐进破坏分析,讨论了极限载荷、破坏模式及失效机理。采用有限元子模型技术对中段破坏区域建模,基于Shokrieh-Hashin准则进行局部破坏分析,讨论蒙皮的铺层损伤规律。结果表明:加筋板呈整体一阶屈曲破坏,极限载荷为316.8 kN;壁板下蒙皮的纤维压缩失效是导致加筋板整体破坏的原因;各铺层的面内失效规律基本相同,蒙皮的纤维压缩失效从外层逐渐向内层扩展,且扩展速率逐渐降低。

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。

考虑帽型加筋包覆层的机身曲板后屈曲设计研究

复合材料加筋壁板结构广泛应用于现代飞机中,此类结构在工作状态下容易发生屈曲,大量试验表明飞机复合材料加筋薄壁结构具有可观的后屈曲承载能力。本文提出了含内包层和无内包层帽型加筋机身曲板设计方案.采用分析软件计算了有内包层和无内包层的两种曲板在轴压载荷、纯剪切载荷、压剪复合载荷下的屈曲载荷、承载能力以及破坏模式。模型中蔡-吴准则作为复合材料失效判据,损伤演化采用子程序USDFLD实现。分析发现帽型筋条的内包层可以显著提高结构的后屈曲承载能力,延长后屈曲历程。

复合材料帽形加筋壁板轴压屈曲与后屈曲性能

针对2种边界条件和3种板元宽度情况,采用几种屈曲方法对轴压载荷作用下的复合材料帽形加筋壁板进行了计算,得到了不同情况下的屈曲载荷,通过对复合材料加筋壁板几种计算方法的计算结果与试验结果的对比,得到一种更简单有效计算复合材料帽形加筋壁板轴压屈曲载荷的方法;依据帽形加筋壁板的结构特点和试验后的破坏模式,提出一种估算复合材料帽形加筋壁板轴压破坏载荷的方法,用该方法在几个项目上的计算结果与试验结果进行比较,发现两者较吻合,验证了复合材料帽形加筋壁板轴压承载能力估算方法的合理性,为结构设计人员在初始设计阶段对复合材料帽形加筋壁板轴压强度评估提供了一种简洁的途径。