大型民机复合材料翼梁R区褶皱力学性能研究

翼梁是飞机主盒段结构的重要组成部件,在国际主流的大型民机中,翼梁采用T800级碳纤维复合材料制造;R区结构是翼梁的重要结构特征,其力学性能通常直接决定着翼梁产品的优劣。本文针对复合材料翼梁制造过程中存在的R区褶皱缺陷,制定R区褶皱缺陷定量化标定方法,通过曲梁四点弯试验测试方法,对含R区缺陷和不含R区缺陷的试验件进行测试,研究其R区力学性能差异,为翼梁R区结构设计和产品接收标准的制定提供数据支持。

碳纤维增强树脂基复合材料表面的紫外激光清洗微观形貌

胶接预处理是航空复合材料胶接中的重要工序,经过预处理的复合材料表面形貌将直接影响材料的胶接强度。本文基于复合材料紫外脉冲激光清洗技术,通过分析不同工艺参数组合下的材料表面激光清洗微观形貌,来探究紫外激光功率和扫描速度对碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)表面形貌的影响,并比较了经激光预处理和其他方法预处理的胶结试片的单搭接剪切强度。结果表明:当激光频率为60 kHz,扫描速度为300 mm/s时,随着激光功率的增大,CFRP板材表面和间隙的树脂均得到清除,当激光功率增大到8.5 W时,纤维间的树脂被完全清除,当激光功率为13.6 W时,表面树脂和纤维间的树脂均被完全清除;当激光频率为30 kHz,激光功率为13.6 W时,随着激光扫描速度的增大,表层的残留树脂增多,当激光扫描速度为500 mm/s时,碳纤维完整性良好,表层树脂分布均匀且纤维间树脂被完全清除。力学测试显示经适当的紫外激光清洗处理(激光频率为30 kHz,功率为13.6 W,扫描速度为500 mm/s)后,单搭接胶结试片性能可达到与可剥布处理相当的水平,且性能数据离散性(CV值)显著优化。

捆绑纱线密度变化对经编织物复合材料性能的影响

以30 dtex线密度捆绑纱经编织物和50 dtex线密度捆绑纱经编织物(Non-Crimp Fabrics,NCF)为原料,考察了捆绑纱线密度变化对LCM工艺中涉及到的经编织物性能的影响。结果表明:降低捆绑纱线密度有利于提高经编织物的渗透率,金相照片表明承受压缩载荷后,相比之下线密度较低的捆绑纱所占体积更小,捆绑纱处纤维体积分数更小;降低捆绑纱线密度有利于纤维间的滑移和嵌套,经编织物可以被压缩到更薄的厚度;在30~50 dtex区间内,捆绑纱线密度变化对经编织物变形后回弹效果无明显影响;与50 dtex线密度捆绑纱经编织物复合材料相比,30 dtex线密度捆绑纱经编织物复合材料0°拉伸强度降低10.1%,0°压缩强度提高21.9%,弯曲强度提高9.5%,层间剪切强度提高3.3%,0°拉伸模量提高6.3%,0°压缩模量提高11.3%,弯曲模量提高9.9%;金相照片表明30 dtex线密度捆绑纱经编织物制备的复合材料层间树脂易分布不均匀。

复合材料整体机身框环向弯曲试验研究与强度分析

机身框作为民用飞机的主要承载结构,其承载效率对飞机的重量具有重要意义。为研究整体机身框的失效模式和承载能力以及侧向支撑对框承载能力的影响,对复合材料C型和Z型整体机身框曲板试验件进行环向弯曲试验。采用大小相等方向相反的一对力偶将弯曲载荷施加在试验件上,对工程方法进行修正,与有限元模型一同对整体机身框失效载荷进行预测,并与试验结果进行对比。结果表明:C型整体框拥有比Z型整体框更好的承载能力;侧向支撑对整体机身框失效模式影响效果显著,合理地设计布置侧向支撑,是提高复合材料机身框承载效率的关键;采用修正后的工程方法能够有效预测框的侧向失稳,可以用于整体机身框尺寸和侧向支撑布置方案的快速计算迭代;但是框内缘局部稳定性方法不够保守,需要采用有限元模型进行优化迭代。

仿真在民机复合材料结构研制中的应用与发展需求

复合材料在飞机结构的广泛应用对主制造商设计能力提出了更高的要求,而仿真是提升结构效率、缩短研制周期、降低研制成本的重要手段。本文总结了仿真在民机复合材料结构型号研制中的应用,包括结构静强度仿真、动强度仿真、工艺仿真等方面,同时基于型号需求提出了仿真后续重点发展方向,包括失效仿真技术、结构防护仿真技术、仿真分析平台建设等。

复合材料低成本工艺及其制造K/T接头工艺仿真

复合材料以优异的综合性能被公认为航空航天领域重要设计材料,其结构用量已成为产品先进程度的重要标志,但高昂的制造成本阻碍其进一步广泛应用,低成本制造高性能复合材料构件一直是研究的重要方向。本文基于典型的低成本工艺-真空辅助成型工艺制造复合材料K/T型接头为研究内容,研究了复合材料K/T接头低成本制造的可行性。论文采用有限元/控制体积方法仿真分析四种树脂注模方式,考察所需注模时间和流动前锋形状得到最佳注模方式;并将其用于制造K/T接头进行试验验证。结果表明,固化所得接头制件无干斑缺陷,为低成本制造高性能复合材料K/接头制件提供参考。

复合材料开口有限元建模方法研究

复合材料开口会引起应力集中,导致孔边应力梯度较大。在开展数值分析时,有限元网格尺寸对孔边应力计算精度影响较大。为获得高精确性的数值结果,提高计算效率,本文通过开展复合材料开口层压板在单轴和双轴两种载荷状态下孔边应力应变分析,研究在不同载荷状态、开口尺寸及铺层比例下,有限元网格尺寸与数值计算精度的关系,为复合材料开口层合板的有限元建模提供方法依据。

复合材料双搭接接头拉伸强度研究

对不同胶层厚度的复合材料双搭接接头拉伸强度进行了试验研究,结果表明接头的破坏模式是胶层剪切破坏,并且接头的极限强度随胶层厚度的增加而增大。在此基础上建立解析模型对复合材料双搭接接头胶层剪切破坏进行研究,模型中考虑了复合材料层板单层的各向异性及胶层的理想弹塑性材料属性,通过与有限元模型计算结果进行对比,验证了解析模型在计算胶层剪切应变/应力分布时的有效性。解析模型使用最大剪切应变准则计算接头的极限拉伸强度,计算得到的接头极限强度与试验结果吻合良好。

碳纤维增强复合材料层压板的热膨胀系数测量及理论计算方法

随着复合材料在飞机结构中的应用增加,复合材料与金属混杂结构中复合材料与金属材料的热膨胀系数不匹配带来的热应力问题越来越不容忽视。为了分析结构中的热应力,材料的热膨胀系数必不可少,而复合材料热膨胀系数的各向异性、铺层依赖性以及纤维方向的低热膨胀率给其热膨胀系数的测量及层压板的热膨胀系数计算带来不便。依据ASTM E831标准和ASTM E289标准,分别采用热机械分析和剪切散斑干涉两种方法,测量了不同铺层T800级碳纤维增强复合材料层压板的热膨胀系数。研究了各种铺层层压板的热膨胀系数规律,给出了复合材料层压板面内热膨胀系数的理论计算公式。此研究结果有利于飞机结构设计阶段有限元分析中复合材料层压板热膨胀系数的快速计算。

PMI泡沫夹层碳纤维复合材料的制备及力学表征

由于具有较好的力学性能和工艺稳定性,聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫夹层结构在航空领域得到了大量的应用。目前飞机上通常采用预浸料与泡沫热压罐固化制造夹层结构,这种工艺成本较高且只能保证贴模面的表面质量。本文中采用闭模液体成型工艺制备了质量稳定的泡沫夹层结构,对比了同时注胶与交替注胶的制备方法,结果表明交替注胶可以得到更好的成型质量。并对泡沫芯材的力学性能进行了测试,在此基础上建立了泡沫材料的失效模型,并通过有限元分析了其三点弯曲、侧压屈曲等力学性能,有限元模型分析结果与实际测试结果基本一致,有限元模型可揭示在这些加载条件下夹层结构的破坏机理及渐进损伤过程,研究结果可推动高性能的航空用复合材料夹层结构的低成本化制备以及结构服役的虚拟试验。

基于显微CT技术的碳纤维复合材料体孔隙率测量

提出了一种基于显微CT技术的碳纤维复合材料体孔隙率测量的新方法,分析了采用显微CT技术测量孔隙率的实验原理,对实验结果进行了图像处理,并统计体孔隙率。实验结果表明,显微CT技术是一种行之有效的碳纤维复合材料体孔隙率测量技术,通过图像灰度进行阈值分割可以清晰地分辨材料内部基体与孔隙,且测量过程中应选择足够大的试样体积,测量值才能真实反映材料内部的体孔隙率。

碳纤维增强树脂基复合材料层合板的传热性能研究

随着复合材料在飞机结构中的应用增加,复合材料与金属混杂结构中的热应力问题越来越受到重视。为了分析结构中的热应力,准确的结构温度场必不可少,而材料的传热性能参数对结构温度场的分析至关重要。复合材料传热性能的各向异性,以及铺层依赖性,给传热性能测量带来不便。依据ASTM E1461标准,设计了不同铺层的试验件,采用闪光法测量T800级碳纤维增强树脂基复合材料层合板沿厚度方向和面内方向的热传导率。研究各种铺层层合板的热传导率规律,验证了复合材料层合板面内方向热传导率的热叠层理论计算公式。此研究结果可应用于碳纤维增强树脂基复合材料层合板热传导率的快速计算。

石墨烯/碳纳米管嵌入式纤维传感器对树脂基复合材料原位监测的结构-性能关系对比

基于碳纳米材料的纤维传感技术已成为复合材料原位结构健康监测领域中一项十分有前景的技术。本研究采用两种不同的碳纳米传感元件—碳纳米管(carbon nanotube, CNT)涂层纤维(carbon nanotube coated fibers,CNTF)和还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, RGO)涂层纤维(reduced graphene oxide coated fibers, RGOF),分别制造合成具有自传感特性的复合材料,并比较研究两种嵌入式纤维传感器的传感性能和机理。从两种传感器的压阻效应可看出:RGOF的压阻灵敏度更高,并清晰地展现出从线性至非线性的两阶段压阻行为;而CNTF,则在发生断裂前始终呈现出平稳而有序的电学信号。这种强烈的结构-性能关系,可以用树脂渗透理论加以阐释。对CNTF而言,树脂分子可以渗透到其多孔的网络结构中,形成集成在纤维表面完整的CNT/树脂纳米复合结构。相比之下,具有大横向尺寸和表面一致性的RGO则可形成阻碍树脂渗透的无创网络结构。对实验结果和传感机理的进一步分析与研究表明,CNTF适用于材料的力学状态识别与长期监测,而RGOF则对结构损伤的早期预警更有实用价值。

基于P单元复合材料胶接修理胶层应力分析

胶接修理是复合材料常见的一种修理方法,准确分析修理胶层应力一直是一个难题。传统有限元方法基于h单元(不高于2阶单元)用于复合材料层压板胶接修理面临长宽比值过高的问题,为了提高计算精度,需要花费巨大精力细化网格。先进有限元方法采用P单元(可高达8阶单元)可实现单元长宽比200∶1以上,非常适合复合材料层压板胶接修理分析。本文对比层压板阶梯式挖补胶接修理工程简化分析方法,采用StressCheck软件P单元进行胶层剪应力和剥离应力分析。对比结果表明,基于P单元的有限元法因考虑了各台阶载荷偏心引起的附加弯矩,胶层应力结果更加真实,可以应用于工程分析。

热压定型工艺对VARI所得复合材料拉伸性能的影响研究

复合材料以质轻高强、疲劳性能好等优异性能在航空航天领域获得广泛应用,高性能复合材料低成本化对其推广应用具有关键意义,一直是工程和学术的热点领域。本文结合当前具有广泛用于前途的真空辅助成型(VARI)工艺制造复合材料的不足进行研究,提出将热塑性薄膜材料(聚醚砜)通过一定方式置于织物层间,并使用热压定型工艺获得改性预制体,然后基于VARI工艺制造复合材料制件,通过低成本的简便定型操作显著提高了最终复合材料制件性能。论文针对在0.1MPa、0.3MPa和0.6MPa下所得改性复合材料的拉伸性能进行测试验证方法的可行性,结果表明,与未改性复合材料相比,改性复合材料的拉伸强度分别提高16.78%,41.21%和29.47%,拉伸模量分别提高2.48%,19.01%和13.22%,为低成本制造高性能复合材料提供了参考。

复合材料表面处理状态对机械连接结构预紧力的影响研究

机械连接结构由于其优异的可靠性被广泛应用于复合材料结构连接中,被连接结构由于其位置、功能等各方面的要求不同,会有各种不同的表面处理状态,本文通过试验方法给出了复合材料结构表面处理状态对连接结构预紧力的影响。基于螺纹紧固模拟装配分析系统,对13组不同表面处理状态的试验件在相同紧固件类型、相同紧固力矩和紧固转速下的预紧力进行了测试。试验结果表明,泰德拉铺层和底漆对预紧力影响较大,无论是在贴模面还是贴袋面增加泰德拉铺层,都会使预紧力显著增大,同样,底漆会使预紧力显著降低,另外,连接结构的等效摩擦系数包括螺纹摩擦系数和接触表面摩擦系数也相应地变化。

双轴载荷下复合材料开口强度分析与试验方法研究

对于复合材料在双轴载荷下的开口强度分析,目前缺少经过验证的分析方法和标准的试验方法。本文主要针对T800级碳纤维复合材料层合板开口结构,开展双轴载荷下复合材料开口强度分析与试验方法研究。结果表明,解析法与有限元法计算结果一致性良好,通过采用“十字型”复合材料开口试验件进行双轴载荷试验,可有效验证有限元模型及“点应力”失效分析方法。

高性能树脂基复合材料低成本工艺研究

高性能复合材料在民用飞机结构中的用量成为飞机先进程度的重要标志,并以整体成型、可设计性强等优点已经广泛用于主承力结构。在航空航天领域中最常用的复合材料成型工艺是热压罐工艺,由其所得制件质量稳定、孔隙率低,但高昂的制造成本阻碍了其进一步广泛应用。低成本获得高性能复合材料是研究的重要方向,本文针对高性能复合材料的低成本成型工艺研究的进展进行对比分析,考察各工艺方法的优缺点及其应用特征,为高性能复合材料的低成本制造提供借鉴。

基于DFX的民机复合材料结构设计

回顾了复合材料在民机结构上的应用情况,阐述民机复合材料结构设计贯彻并行工程(CE)理念,充分发挥复合材料可设计优势的必要性。提出了基于DFX的民机复合材料结构设计,具体包括:面向制造(DFM)主要考虑国内目前的制造水平和先进自动化制造技术,以及避免制造缺陷的措施;面向装配(DFA)主要考虑组件紧固件安装可行性,推荐采用整体成形技术以减少装配工序,同时考虑先进的装配技术;面向检测(DFI)主要考虑结构的可检性,以及检修口设计和人体可达性;面向维修(DFS)主要考虑结构的维修策略,结构的可修性和损伤后修理的强度要求等;面向环境(DFE)主要考虑全寿命周期的绿色制造要求,设计时主要采取减少废料率的措施;面向成本(DFC)主要考虑降低模具、紧固件等采购成本,采用低成本工艺、国产辅料等;面向可拆卸(DFD)主要考虑结构的互换性等;面向回收(DFR)设计时应考虑可回收零件的标识,以及采用热塑性复合材料等。最后,提出DFX实施的集成产品团队(IPT)组织模式,具体包括:统一协同设计平台,矩阵式管理,集中办公等措施。

复合材料帽形长桁加筋曲板的自动化相控阵超声检测技术研究

采用基于脉冲反射模式的自动化相控阵超声检测技术,对复合材料帽形长桁加筋曲板结构进行自动化检测研究。分别针对曲面蒙皮和帽形长桁R角结构,选取不同探头、不同频率、不同聚焦方式,开展相控阵自动化检测仿形、C扫描成像及缺陷判定。结果表明,采用超声仿形测量的方法实现曲面蒙皮的自动化检测,能够检测出最小达Φ3 mm的缺陷;针对帽形长桁R角结构特点制定特殊的R角水靴,实现R角的自动化相控阵检测。