M2飞机的复合材料机翼静强度载荷及试验研究

M2轻型运动飞机机翼结构采用复合材料,通过静力试验对其机翼强度进行验证,对发现机翼结构设计薄弱环节以及结构改型和发展具有重要意义。首先分析ASTMF2245-16机翼强度适航条款的要求;然后通过对M2飞机载荷包线、环境影响系数、限制载荷和极限载荷的研究,计算得到复合材料机翼载荷;最后进行机翼限制载荷静力试验、机翼极限载荷静力试验和机翼破坏载荷静力试验,并对试验结果进行分析。结果表明:M2飞机的极限载荷满足试验要求,复合材料机翼试验破坏载荷相对设计极限载荷的偏差为2%,M2飞机的复合材料机翼结构设计满足静强度设计要求。     

温度参数下轴编C/C复合材料的超高温热结构性能分析

为了研究轴编碳/碳（C/C）复合材料的超高温热结构性能,开展了2800℃超高温载荷下复合材料的拉伸实验,表征了复合材料组分材料的高温失效形貌;提出了立方体单胞和正六棱柱单胞的温度周期性边界条件的算法和预测复合材料等效热结构参数的方法,在材料属性各向同性正六棱柱单胞模型上验证了方法的正确性;最后建立了轴编C/C复合材料的代表性体积单元,计算了复合材料随温度载荷变化下的等效热结构参数,与实验数据进行了对比分析。分析表明：开展的轴编C/C复合材料的超高温拉伸实验,可以得到复合材料在2800℃载荷下复合材料的等效刚度值,同时分析了轴向试件和径向试件的高温失效机理,径向试件的纤维束拉伸强度对复合材料的径向拉伸强度起到决定性的作用。在应用位移以及温度周期性边界条件的基础上,提出的方法可以得到随温度载荷变化下复合材料的等效热结构参数,得出复合材料在横向满足近似各向同性的特性,预测结果表明只改变温度参数下复合材料的等效热导率不会发生改变。提出的方法同样也适用于其他编织复合材料的热结构性能研究。     

QD128燃气轮机动力涡轮盘组件温度场计算及静强度分析

动力涡轮盘作为燃气轮机的关键部件,其结构较为复杂,且承受着复杂的热载荷及机械载荷,在局部区域有可能出现较大的应力,从而导致各种失效故障。为保证其正常可靠工作,在盘体设计时首先要满足静强度要求。基于有限元法计算涡轮盘组件在最大载荷状态下的应力分布,分析了热载荷、机械载荷及螺栓预紧力对轮盘应力的影响,为涡轮盘组件的改进提供了理论依据。     

全复合材料主承力梁结构研制与分析验证

根据结构特点和受力特性,研制了一种全复合材料主承力梁结构。给出了主梁的铺层设计,详述了其成形工艺。基于MSC.Patran/Nastran建立了主梁有限元分析模型,采用线性求解器对多级载荷作用下的主梁进行了静强度分析,给出了结构应变与位移结果。同时设计了强度试验方案,对主梁结构进行了静强度试验验证,采集了应变与位移信息,确定了结构的响应。结果表明,全复合材料主承力梁结构满足强度设计要求,为复合材料应用于主承力结构提供了依据。     

复合材料机匣热态强度试验方法研究

针对航空发动机复合材料机匣热态强度考核试验要求,采用热环境模拟技术、内外载荷模拟技术、多点协调控制技术及数据采集技术,提出一种内外载荷和温度载荷共同作用的机匣热力联合同步加载试验方法;设计了机匣热态强度试验装置,并基于该试验装置完成了复合材料外涵机匣热态强度试验.试验结果表明,所设计的试验装置能有效模拟外涵机匣的工作环...     

用于复合材料成型的硅橡胶气囊的使用寿命评估

为考察用于复合材料成型的硅橡胶气囊的使用寿命，模拟气囊的实际应用条件，利用热老化后的硅橡胶的拉伸强度、撕裂强度和硅橡胶与试件的剥离强度相对比来评估。试验表明：1453D硅橡胶老化100次后拉伸强度和撕裂强度都远远大于其剥离强度，推测其力学性能能够满足使用100次的要求，因此可推荐用硅橡胶气囊代替金属芯模用于复合材料成型工艺中。     

复合材料沉头双钉单搭接连接静强度分析

对复合材料沉头双钉单搭接机械连接接头进行了静态拉伸试验,并建立了三维有限元模型,编写了材料失效准则和刚度退化准则的累积损伤程序,计算了连接孔的挤压应力和接头损伤,预测了连接的失效载荷。数值计算表明:单搭接产生的附加弯矩使孔边应力沿板厚呈三角形分布;孔边挤压损伤和螺帽的侧向压缩损伤以及极限载荷与试验结果吻合;位于搭接板自由端的钉孔弯曲变形较小,应设计为沉头孔。     

复合材料层合板单排多钉双剪联接接头强度分析

双剪联接接头是复合材料结构连接设计的主要环节。针对T300/KH304复合材料层合板的单排多钉双剪联接接头,考虑到孔间距离对接头强度的影响,用三维有限元模型对接头的静强度进行数值分析。以应力分析为基础,采用Yamada-Sun准则预测了该层合板结构双剪联接接头的破坏载荷。试验结果表明,该接头的破坏模式主要呈现为挤压破坏,并伴随有净拉伸和剪切破坏模式;接头的位移——载荷曲线近似为直线;Yamada-Sun准则可以较好地预测该结构的破坏载荷;所预测的接头的破坏载荷及破坏模式,试验结果与数值分析结果比较一致。     

复材长桁与钛合金接头超差对连接强度的影响

针对复材长桁与钛合金接头因制造缺陷无法正常连接的情况,设计了正常连接、长桁立边失效连接、长桁自由边失效连接3种连接形式的对比试验,并采用有限元分析了超差连接情况下结构的破坏模式与破坏载荷的变化规律。结果表明:3种连接形式结构的破坏模式一致,均在蒙皮预制裂纹处沿着45°纤维方向破坏;不同连接形式对连接刚度基本没有影响;长桁立边失效对连接强度影响较小,破坏载荷下降5.31%;长桁自由边失效对连接强度影响较大,破坏载荷下降22.13%。长桁自由边失效是最严重的失效情况。     

高温复合材料在空空导弹上的应用研究

针对空空导弹的服役环境及结构设计特点,指出高温与载荷联合作用下的复合材料损伤容限设计、失效准则、刚度退化模型及防热/承载一体化设计等空空导弹复合材料结构设计关键技术,简述了空空导弹用耐高温复合材料的发展现状,并成功研制了耐高温复合材料舵面和连接环这两种典型的空空导弹复合材料结构,突破了空空导弹耐高温复合材料结构防热/承载一体化设计与整体制备等关键技术。     

Thermo-mechanical properties of RTM-made carbon fibre/polyimide composite attaching collar under transient heating

This study focuses on the thermo-mechanical properties of Carbon Fibre/Polyimide Composite (CFPC) attaching collars under transient heating. The CFPC attaching collars were fabricated by a high-temperature resin transfer moulding process, and their thermo-mechanical properties under the conditions of simultaneous transient heating and bending load were investigated. The results show that the attaching collar tends to fail at 118% of the limit load. The failure mode includes the fracture of the connecting screws, local extrusion damage of the hole edges, and slight ablation damage at the outer plies. And there is no observable residual deformation in the composite attaching collar. Furthermore, considering that the material properties vary with temperature, a progressive damage model based on the sequential thermo-mechanical coupling method was established to study the failure mechanism of the attaching collar. Finally, the damage factor of the CFPC was calculated to assess the safety status of the attaching collar. The results show that the primary damage modes of the composite attaching collar are intralaminar failure, which mainly occurs at the heat insulation layer and the hole edges, and these slightly affect the structural bearing capacity. A good correlation between the experiment and FEA is obtained. The test methods and analysis models proposed contribute to the safety assessment of composite structures under transient heating.     

碳纤维复合材料元件静态力学测试技术及实证研究

为了验证高温、中温1和中温2碳纤维复合材料与国外碳纤维复合材料技术指标的差别,最大限度地规避国产复合材料在结构设计和使用过程中的风险,需要从宏观力学的角度,通过进行不同铺层方式的高温、中温1和中温2复合材料元件静态力学试验,对强度和应变测试数据进行比对分析,并在测试方法上有所突破。本文主要通过复合材料元件开孔拉伸试验进行分析,提出了采用引伸计来同步测量开孔拉伸强度对应应变响应的试验方法,在碳纤维复合材料元件静态力学检测中取得了良好的应用效果。     

弹片热机械疲劳试验方法研究及设计

针对弹片的热机械疲劳（TMF）试验要求,采用机械设计技术、机电技术、冷却技术、计算机技术和数据采集技术,提出了压力载荷和热载荷的加载方法,建立了2种载荷5个试验件的并联试验控制系统,并设计了弹片热机械疲劳试验器。试验结果表明:该系统能够同时模拟服役环境下弹片的压力载荷和热载荷。利用该试验系统进行了弹片的热机械疲劳试验,试验结果再现了弹片在服役状态下的失效模式。试验系统具有良好的重复度、较高的加载频率和加载精度。压力载荷最大相对误差为2.4%,绝对误差小于0.5N。温度载荷最大相对误差为3.55%,最大绝对误差为3.89℃。      

复合材料抗冲击性能和结构压缩设计许用值

 从复合材料结构压缩设计许用值的概念和复合材料的冲击后压缩强度性能出发，讨论按NASA标准得到的CAI值与它们的关系，指出传统的CAI值不能充分反映复合材料体系的抗冲击性能，且与结构压缩设计许用值无任何联系。在对复合材料结构完整性要求和作者的试验研究，和对国外文献总结的基础上，提出复合材料抗冲击性能应包括损伤阻抗和损伤容限两方面。大量的试验数据证实复合材料层压板抗冲击性能存在拐点现象，在对拐点附近复合材料层压板的破坏机理研究基础上，建议用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系，即可以用表面层在冲击下保持其完整性的最大能力(最大接触力)来表征复合材料体系的损伤阻抗(韧性)；用出现拐点后基本不变的压缩强度(破坏应变)门槛值来表征复合材料体系的损伤容限。     

铺放参数对复合材料厚度方向力学行为影响

为了探究铺放工艺参数的变化对复合材料厚度方向力学行为的影响,通过面外拉伸实验分析了铺放压力与铺放温度对复合材料厚度方向面外拉伸强度与拉伸模量的影响,并对不同铺放工艺的试件失效模式进行了分析。试验结果表明,增大铺放压力会减小层间富树脂区厚度,使复合材料面外拉伸强度不断增大,当铺放压力为0.225 MPa时取得实验组最大值,与铺放压力0.075 MPa相较强度提升约13.1%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合转变为纤维断裂;铺放压力的进一步增大会挤压层间树脂,改变树脂富集形态,使面外拉伸强度下降,剥离失效模式再度出现。实验用复合材料的适宜铺放温度为30℃,过高的铺放温度会导致孔隙率的上升,使复合材料的面外拉伸强度严重下降,裂纹扩展失去规律性;与铺放温度25℃相比,铺放温度为45℃时复合材料面外拉伸强度下降达19.2%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合失效转化为单一的纤维层剥离失效。     

复合材料飞机结构强度新规范要点评述

基于过去20多年参与复合材料结构设计的经验教训和美国最新的军用飞机设计规范,阐述了中国复合材料结构强度设计和验证要点及与金属结构的差别。其要点为:以承认性能表征多样性和材料与结构同时形成为基础的材料和工艺要求;以承认初始缺陷/损伤对结构静强度有影响为基础的设计许用值确定方法;以需要特别考虑湿热环境影响为特点的静强度设计和验证;以承认静力覆盖疲劳和考虑冲击损伤阻抗为特点的耐久性设计和验证;以冲击损伤及损伤无扩展为基础的损伤容限设计和验证;以全尺寸部件和由试样、元件(包括典型结构件)、组合件组成的多层次积木式设计验证方法相结合为基础的结构验证试验。     

复合材料梁腹板不同开孔形式稳定性研究

由于工艺性、维护性等要求,复合材料结构梁腹板中不可避免需开孔,不同形式的开孔有着不同承载能力。通过对梁腹板结构不同形式的开孔进行剪切载荷下屈曲试验研究,得到屈曲载荷和破坏载荷,对比不同开孔对结构承载的影响,并通过有限元进行数值模拟分析,屈曲载荷和试验基本吻合。同时试验得到复合材料结构有较强的后屈曲承载能力。     

2.5维机织复合材料的纬向力学性能试验

通过室温(20℃)及高温(180℃)静态拉伸及拉 拉疲劳试验,获得了25维树脂基机织复合材料在不同温度下的力学性能及拉 拉疲劳寿命。基于宏观试验,探讨了材料在静载及拉 拉疲劳载荷作用下的破坏模式和失效机理,对比了材料在疲劳载荷作用后的剩余强度与静强度的关系,之后分析了温度对材料静态力学性能及疲劳寿命的影响。结果表明:在20~180℃温度范围内材料的纬向模量对温度不敏感,但纬向强度及疲劳寿命随温度的升高而显著下降。在高温高应力水平（高于80%静强度）下材料的纬向疲劳寿命非常短(小于104次循环),但当应力水平仅下降2%后,材料的纬向疲劳寿命趋于106次循环。另外,高温下材料的剩余强度大于高温静强度。