压缩载荷下复合材料加筋板屈曲参数研究

基于复合材料加筋板的双胞单元模型和势能最小原理,运用解析算法给出了简支条件下复合材料纵向加筋板临界屈曲载荷方程,对影响复合材料加筋板临界屈曲栽荷的主要参数：加筋板各项异性比,筋条的弯曲刚度,筋条间距和加筋板的长度进行了研究。解析算法和有限元方法给出了不同参数对复合材料加筋板屈曲载荷的影响水平。研究结果表明：针对不同筋条间距的复合材料加筋板筋条弯曲刚度存在一个阀值,当筋条高度大于阀值时,屈曲载荷不会随筋条弯曲刚度的增加而增加;给出的临界屈曲载荷方程可以方便的计算出压缩载荷下简支加筋板的屈曲载荷。     

加筋结构中筋条有限元模型研究

 本文提出板杆组合元模型在抗拉及板面内抗弯刚度上均达到与实际筋条相等。该模型不仅是检验各种近似解的工具,而且,可在工程上推广应用。 1.筋条抗拉刚度分析 作如下基本假设:（1）平面应力、线弹性Ⅰ型断裂问题;（2）板的中面与筋条铆钉孔所在缘条中面重合,铆钉力在这个面愉;（3）钉孔仪是一点,铆钉力是作用在该点上的一个集中力;（4）忽略筋条与板间的摩擦力。以机翼下壁板为例进行分析(图     

不同筋条刚度下复材加筋板剪切稳定性分析

在面内纯剪切载荷作用下,复合材料加筋壁板易丧失稳定性。通过试验与有限元仿真方法研究不同筋条刚度配比对复合材料加筋壁板屈曲及后屈曲行为的影响。试验中采用莫尔云纹观测法对试验件的屈曲模态进行定性观测,根据试验数据对试验件屈曲承载能力进行评估。研究结果表明:在保持筋条横截面积不变,只改变下缘条宽度和腹板高度的情况下,随着腹板高度的增加(下缘条宽度减小),筋条相对蒙皮的惯性矩增大,屈曲载荷逐渐减小;筋条刚度对屈曲载荷影响较大,对破坏载荷影响很小。有限元模拟结果与试验结果吻合较好。     

复合材料帽型筋条脱粘的失效机理分析

复合材料加筋结构承受后屈曲载荷时,蒙皮局部屈曲会导致筋条承受面外弯曲载荷,极易引起蒙皮与筋条的界面脱粘,最终导致结构破坏.通过四点弯曲试验模拟加筋结构受后屈曲载荷时的蒙皮/筋条界面性能,建立渐进损伤模型,分别考虑筋条与蒙皮胶接界面以及复合材料层板的失效,并引入材料刚度退化模型,详细分析蒙皮/筋条界面的脱粘机理和失效过程.分析结果与试验结果一致,表明加载跨距对于结构的失效形式影响较大,90 mm加载时,胶层均首先失效于筋条与蒙皮内角处的胶接界面,且主要受Ⅱ型剪切模式影响;而150 mm加载情况下胶层均首先失效于翼缘自由端与蒙皮交界处.正向加载时胶层失效主要受Ⅰ型和Ⅱ型混合模式影响,反向加载胶层主要受Ⅱ型剪切模式影响.界面脱粘以后,随着载荷增加,筋条腹板与缘条转角外侧出现分层破坏,损伤模型预测结果与超声扫描检测结果一致.     

复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计

为了充分利用复合材料加筋板的后屈曲承载能力,针对复合材料加筋板的后屈曲行为开展优化设计方法的研究具有重要意义。详细探讨了筋条尺寸及密度等参数对承受面内剪切载荷作用下的复合材料双向加筋板屈曲后屈曲的影响规律。建立了复合材料加筋板考虑后屈曲响应的结构分级优化方法:在一级优化中以结构几何尺寸为设计变量,使用响应面法(RSM)拟合出结构后屈曲响应的全局近似函数,结果显示,加筋缘条的宽度及加筋的密度对屈曲承载能力有重要影响;在二级优化中采用遗传算法(GA)对复合材料铺层顺序进行优化,经过两级优化后的复合材料加筋板相比于初始设计在质量减少了3%的同时,线性屈曲位移提高了8.86倍,线性屈曲模态由局部屈曲改善为整体屈曲,同时结构的后屈曲承载能力提高了8.7%。基于解决旅行商问题(TSP)的遗传算法被调整用于固定铺层厚度的复合材料铺层顺序优化问题,经优化,结构线性屈曲特征值提高了12.76%,表明了优化方法的可行性。     

复合材料加筋壁板压缩稳定性工程算法验证研究

复合材料加筋壁板的主要失效模式是丧失稳定性,为确保其结构安全同时有效降低结构重量,有必要 对其稳定性校核时的边界条件和蒙皮受载边宽度选取进行系统的研究。通过对两种边界条件、三种蒙皮受载 边宽度选取进行研究,提出考虑长桁影响的蒙皮受载边宽度选取方法,进行加筋壁板稳定性计算,将计算结果 与试验结果进行验证。结果表明:边界条件选取四边简支,蒙皮受载边宽度选取考虑长桁影响的工程稳定性计 算方法准确度最高,计算结果与试验结果最小偏差0.29%,最大偏差7.16%,且全部低于试验值;该方法用于 结构强度稳定性校核是安全可靠的。     

含分层损伤复合材料层合板前后屈曲行为研究

采用基于Mindlin一阶剪切理论的四节点板单元,分析了简支和固支两种边界条件下含圆形分层复合材料层合板前后屈曲行为。结果表明,尽管浅部分层的存在使层合板的前屈曲临界载荷大幅度下降,但层合板仍能继续承受很大的后屈曲载荷,这种情况下的前屈曲是由于分层部分的局部行为造成的。同时,在相同的铺设和分层厚度及边界条件下,分层半径越大,后屈曲临界载荷越低,固支下的后屈曲临界载荷比简支下的临界载荷高。     

含圆形分层损伤复合材料层合板在弯曲载荷作用下的屈曲行为研究

分层损伤是复合材料层合板结构最主要的损伤形式,其主要由于制造缺陷以及受到外力冲击而产生。本文对含圆形分层损伤复合材料层合板在弯曲载荷作用下的屈曲行为进行研究,首先利用RayleighRitz法对含圆形分层复合材料层合板进行二维模型建立,通过此理论模型可以计算出材料屈曲临界弯矩值以及在特定弯曲载荷下中心点的离面位移值。随后,采用三维数字图像相关方法对分层材料进行实验研究,得到了分层材料在弯曲载荷作用下的屈曲形貌以及其中心点的载荷—位移曲线。通过实验验证了理论的可行性与准确性,可用于对含圆形分层材料在弯曲载荷作用下屈曲临界弯矩以及中心点离面位移大小的初步估算。     

Optimal design of composite lattice shell structures for aerospace applications

An optimization method for composite lattice shell structures under axially compressive loads is proposed aiming at the preliminary design. The method implements and improves some previous results of the fully analytical approach which is currently adopted at the state-of-the-art. The fully analytical approach provides the minimum mass solution under buckling and strength constraints, irrespective of other possible design limitations, such as, shell stiffness constraints. As a consequence, the minimum mass solution turns out to be satisfactory whereas other requirements are absent or automatically achieved but, on the contrary, it can drive the final preliminary configuration far from the real optimum.The proposed method implements numerical minimization allowing the designer to easily handle suboptimal configurations which are located in the vicinity of the minimum mass solution. When stiffness requirement is present (as in most cases) the benefit of this approach – in terms of weight saving with respect to the analytical design – is finally shown with a practical example.     

大展弦比复合材料机翼结构设计研究

针对大展弦比机翼结构的特点,选定蜂窝夹层、多墙式和一种新型混合式结构进行分析比较。进行了缝纫层合板和无缝纫层合板的冲击后压缩强度试验以及3种形式的复合材料蜂窝夹层板冲击后压缩稳定性试验。实验结果表明,缝纫可提高复合材料层合板冲击后压缩强度和屈曲临界载荷。对3种形式机翼结构进行有限元分析,计算结果表明,新型混合式结构具有明显的减重效果,并可实现一定比例的弯曲和扭转刚度设计。     

Buckling and post-buckling behavior of shallow supported cylindrical panels

The problem of the post-buckling behavior of the supported cylindrical panel under uniform axial compression is solved. The cylindrical supported panel is considered as a beam on the Winkler elastic foundation, the stiffness coefficient of which is calculated at the known value of buckling load. The criteria for post-buckling estimation are introduced, namely, vanishing of the determinant of the resolving system of equations and going to infinity of the deflection and strain energy in the implementation of post buckling. A good agreement of the post-buckling load obtained in this work with the experimental results is shown.     

航空碳纤维树脂基复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了复合材料加筋板轴压稳定性实验,对加筋板的屈曲及后屈曲性能、破坏模式和后屈曲失效表征进行了研究.实验结果表明加筋板在轴压下具有良好后屈曲承载潜能,破坏载荷约为屈曲载荷的2.2倍;其屈曲模式为筋条间蒙皮首先发生屈曲失稳,筋条在整个承载过程中保持直线,起到“屈曲分隔”的作用.通过对加筋板屈曲及后屈曲性能的理论分析,得出的理论屈曲载荷和理论破坏载荷与实验结果相对误差均小于8%,并确定了在后屈曲过程中蒙皮中心挠度的变化规律和轴向载荷的面内分布特征.      

舰载机机身加筋壁板屈曲疲劳试验

舰载机弹射起飞和拦阻着舰的张力场屈曲波在机身壁板上产生附加的拉伸或弯曲应力，从而显著降低结构疲劳强度、改变疲劳破坏部位。以张力场梁形式的三点弯曲试验开展了反复屈曲下的疲劳特性研究。通过疲劳试验测得的临界屈曲载荷与按工程张力场理论得到的临界屈曲载荷对比，吻合较好。根据3级不同载荷水平下的疲劳试验结果，给出了张力场梁屈曲疲劳试件的无量纲载荷比-寿命曲线及载荷比-张力场系数曲线。根据张力场系数与载荷关系、载荷寿命曲线及飞机寿命指标可控制张力场的严酷程度来开展机身壁板轻量化设计。本项工作为舰载机机身壁板在弹射起飞和拦阻着舰过程中的反复屈曲疲劳问题评定积累了数据。     

层板分层后屈曲分析的一维模型

 将条形分层的复合材料层板看成两个独立的子层,未发生分层区域的层间基体由拉-压杆和剪切板模拟,从而建立了分析带有分层缺陷层板稳定性问题的一维力学模型;利用Rayleigh-Ritz能量法推导了模型的微分方程;通过计算,给出了两个子层刚度比在各种数值下、对应于不同分层长度,层板的局部或整体失稳载荷。     

Core reinforcement design for improving flexural energy-absorption of corrugated sandwich composite structure

To strengthen Specific Energy-Absorption (SEA) behavior of Sandwich Composite Structure (SCS), a kind of light-weight vertical stiffener is proposed for the corrugated core. The vertical stiffener, embedded in the corrugated core, can not only absorb part of energy but also simultaneously enhance Energy-Absorption (EA) of other components. The Hashin damage model considering the shear stress and ductile damage model is adopted to predict the failure of carbon fiber face-sheets and aluminum-core, respectively. The perfect bonding is modeled for interfaces between the face-sheet and core due to little realistic debonding. The finite element model is verified by available data of conventional SCS. To obtain more design ideas, several stiffeners with different thicknesses, numbers, and positions are investigated. From the predicted results, both the flexural load and deformation of SCS correlate well with experimental results. It is highlighted that the SCSs with different vertical stiffeners exhibit 9.74%–58.48% higher SEA than the SCS without stiffener. The complex reinforcement mechanisms are extensively revealed by underlying coupling EA and deformation mechanisms. Structural parameter analysis shows that the thickness and number have significant effects on the flexural behavior and SEA of reinforced SCS.     

含表面缺口复合材料层压板的屈曲破坏

通过实验研究和理论分析探讨了含表面缺口复合材料层压板的屈曲破坏。采用电测和声发射技术对层压板的受压力学行为进行观测和分析。作为比较,对无缺口层压板也进行了压缩试验,尽管2种层压板试样随载荷增加到一定值时都会发生屈曲,但它们的破坏过程仍有着显著的差别。利用层压板刚度减少技术推导了含表面缺口复合材料层压板的临界应力表达式。理论预测结果和试验结果能够较好地吻合。     

有限元素法解轴压加筋板局部稳定性问题的研究

 本文是用有限元素法解轴压加筋板局部稳定性问题的研究报告。它从失稳变形模态对称性分析入手,提出了局部单元的计算模型。对于失稳变形模态非对称结构,指出典型单元计算模型的局限性。从而肯定了局部单元在稳定性计算中普遍的实用意义。对于铆接结构,分析了筋条与蒙皮的连接及其简化假设,改进了铆接结构的计算模型,确保了计算结果的合理性。另外,讨论了简化计算模型的两项原则。在此基础上,对计算模型作进一步简化,从而节省了机器内存,提高了解题速度。最后给出了计算曲线及实验结果,并对力矩分配法作了分析。     

航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了航空复合材料加筋板压缩试验,得到了加筋板的屈曲载荷、破坏载荷及破坏模式.加筋板平均屈曲载荷和平均破坏载荷分别为587.5,968.25kN,后者是前者的1.65倍,表明加筋板在压缩载荷下存在较强的后屈曲承载能力,其破坏模式主要是筋条的脱黏、断裂以及壁板的撕裂,破坏位置通常在加筋板中部.应用有限元软件得到了加筋板的屈曲载荷、破坏载荷及后屈曲损伤过程,其中屈曲载荷、破坏载荷与试验结果较吻合,误差分别为-9.97%和8.45%,验证了有限元模型的有效性.研究了加筋板纤维和基体出现损伤的先后顺序,结果表明在后屈曲过程中加筋板纤维先于基体出现损伤,尤其是筋条中部纤维的损伤最为严重,加筋板破坏之前基体基本不存在损伤.      

受弯曲对称复合材料层板的层间应力分析

本文引伸了受均匀拉伸复合材料层板自由边界效应问题的准三维有限元理论,分析了受弯曲（±45）_s角交层板与正交对称层板中的应力响应。着重讨论了层板自由边附近及层间界面上的应力分布。与受均匀应变拉伸下的应力分布相比,受弯曲对称复合材料层板中的层间应力分布有许多不同的特点。本文的分析结果将有助于理解在复合载荷下复合材料层板的破坏模式与破坏过程。     

X-cor增强泡沫夹层结构力学性能试验

 研究了碳纤维X-cor销钉增强泡沫夹层结构的常规力学性能。自行设计工艺,制造了X-cor增强泡沫夹层结构复合材料,并进行了多种材料/几何参数下的平压、三点弯曲和芯子剪切试验,得到了系列试验数据,并观察记录了较全面的结构破坏模式;倾斜的X-cor销钉对夹层结构性能的增强效果大大优于垂直销钉的增强效果,倾斜X-cor增强泡沫夹层结构的抗弯刚度和破坏载荷大幅提高;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲载荷下具有较强的二次承载能力;X-cor增强泡沫夹层结构在弯曲和剪切载荷下均呈现明显的渐进失效过程,在初始裂纹出现后,直到最终破坏发生还有较长的损伤扩展过程,这一过程是增强相限制芯材裂纹大规模扩展的结果,表明X-cor增强泡沫夹层结构在初始裂纹出现后还具有较强的持续承载能力。