单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能影响

钛合金蜂窝夹层结构在制备或使用过程中可能会产生面板裂纹损伤。采用试验和有限元结合的方法研究了单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能的影响。结果显示:单侧面板裂纹损伤会明显降低钛合金蜂窝夹层结构面板弯曲强度，弯曲强度近似随裂纹长度的增加而线性降低；有限元模型能够准确预测结构的破坏模式和破坏强度，预测得到的面板弯曲强度与试验结果最大偏差仅为6%。采用的有限元方法可用于含面板裂纹损伤的钛合金蜂窝壁板结构弯曲性能的工程预估。      

激光焊接带口盖加筋壁板剪切性能分析

针对双光束激光焊接带口盖加筋壁板开展了剪切稳定性试验,分析了带口盖加筋壁板在受剪状态下的屈曲载荷、屈曲形式、后屈曲承载能力及破坏形式。建立了壁板与剪切夹具的有限元模型,对壁板的剪切失稳形式及后屈曲承载能力进行仿真计算,并探究了口盖对加筋壁板的承载能力、应力变化及面外变形的影响。结果表明:带口盖加筋壁板在剪切状态下,当屈曲比达到1.95时,加筋壁板进入后屈曲,最终破坏载荷约为屈曲载荷的2.98倍。仿真与试验得到的载荷-位移曲线较为吻合,有限元法得到的屈曲载荷和破坏载荷与试验平均值误差分别为8.7%、1.02%。开口壁板的承载能力及刚度均下降,螺栓紧固口盖对加筋壁板的应力与面外变形影响较大。      

蜂窝夹芯挖补修理结构弯曲性能研究

从试验及有限元2个方面对复合材料蜂窝夹芯挖补修理结构的弯曲性能进行研究。通过3点弯曲试验对无损及修理件弯曲性能进行测试,试验结果表明,蜂窝夹芯结构破坏模式为典型的蜂窝剪切破坏,修理件相比于无损件弯曲强度恢复率为110%,修理后结构弯曲刚度也略高于无损件;基于试验结果建立三维有限元模型对蜂窝夹芯修理结构的弯曲性能进行研究,通过用户自定义子程序VUSDFLD编写Hashin失效准则、基于应力的Besant失效准则,实现复合材料面板及蜂窝芯子2种材料的损伤起始及演化。数值模型得到的破坏模式、破坏载荷及弯曲刚度均与试验结果吻合得较好;改变有限元模型参数,研究损伤直径及补片厚度对修理后弯曲性能影响,结果表明,随着损伤直径从30~70 mm逐渐增加,修理件强度先增加后减小,并在损伤直径为50 mm时取得最大值,此外,补片厚度为1~2.5 mm时弯曲强度恢复率高于100%;本文为复合材料蜂窝夹芯结构的修理设计提供了可靠的数值模拟方法。      

带口盖复合材料柱壳压缩性能

研究了1/3弧长带有口盖复合材料柱壳的压缩行为.实验测试的带口盖柱壳结构在压缩后发生局部屈曲变形,无后屈曲现象发生,屈曲破坏载荷为118.944 kN.利用ABAQUS有限元软件建立相应有限元模型计算其屈曲破坏行为,并将计算结果与实验结果进行比较,证明所建立的模型正确有效.利用所建立的模型,探究提高结构屈曲载荷的方法.研究表明:补片与口盖的铺层角度对结构的屈曲载荷有直接影响,如果补片与口盖的铺层角度由0°变为20°后,结构屈曲载荷可以分别提高6.8%和2.4%;补片厚度也与结构屈曲载荷相关,但试图增加现有补片厚度来提高结构屈曲载荷方法并不十分理想.当补片厚度由11层提高到16层时,结构屈曲载荷也仅提高了2.37%,考虑成本与重量因素,此方法与改变铺层角度相比不可取.     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击后压缩强度估算

基于低速冲击后复合材料蜂窝夹芯板压缩破坏机理的实验研究,用当量分层来模拟Nomex蜂窝夹芯板的低速冲击损伤,假设当量分层区子层板的边界为固支,并且认为子层板失稳时夹芯板所承受的载荷为压缩破坏载荷.将计算结果与实验结果进行比较,表明了对面板无明显断裂的低速冲击损伤情况,用损伤当量法计算蜂窝夹芯板的剩余压缩强度是可行的.     

复合材料加筋板筋条修理后的压缩性能

承受压缩载荷时,筋条损伤往往造成复合材料加筋板结构的严重失效.针对筋条壁板脱黏、腹板分层、上缘条损伤3种情况分别设计了相应的修理方案并制作了试验件.为保证压缩载荷的均匀施加,设计制作了加筋板试验专用夹具,含有固定试验件的卡槽和保证加载方向沿竖直方向的导轨.筋条修理后的复合材料加筋板的轴向压缩试验表明不同修理部位、不同修理方法对加筋板的力学性能影响不同.有限元分析表明加筋板的屈曲模态、整体破坏模式以及板-筋胶层的破坏情况都受到修理方案的影响.      

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击后的压缩

对含低速冲击损伤的Nomex蜂窝夹芯板试件进行了压缩实验,用X光技术、热揭层技术和外观检测等对压缩破坏损伤发展的过程进行了研究,分析了压缩破坏机理,结果表明:剩余压缩强度随冲击能量的增加而减少;夹芯板的压缩破坏主要由前面板控制,前面板发生局部屈曲的载荷与板的压缩破坏载荷几乎相等;表面玻璃布不仅能减少冲击损伤,而且能使板内的损伤显露在表面,容易让人发现.     

不同工艺成型复合材料加筋板轴压破坏机理分析

对受到边界约束的不同工艺成型复合材料加筋板进行了轴压试验和数值模拟,研究二次胶接和共固化工艺成型加筋板轴向压缩破坏机理。轴压试验中,通过应变计实时监测试验件局部屈曲,及时记录试验件初始声响载荷,通过断面观测分析结构破坏机理。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟结构后屈曲损伤渐进直至破坏过程。计算结果和试验结果相吻合,研究表明工艺对结构稳定性及承载能力没有显著影响,而加筋板构型影响较大。聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide,PMI)泡沫不影响结构失稳载荷及破坏载荷,但能延缓结构初始损伤的发生。二次胶接成型加筋板界面临近破坏才出现损伤,而共固化成型加筋板界面损伤出现较早且扩展缓慢,表现出更好的损伤阻抗特性。      

带衬套沉头螺栓复合材料/金属接头拉伸性能

对带衬套沉头螺栓连接复合材料/金属接头进行拉伸试验,测量了接头的载荷-位移曲线和面外变形等性能,研究了接头的拉伸行为。利用ABAQUS软件,建立了接头的有限元模型,计算得到的条件挤压载荷、极限破坏载荷和破坏模式与试验结果吻合较好,证明了所建有限元模型的有效性。利用该模型,分析了接头破坏的机理,并进一步研究了螺栓与衬套过盈量、拧紧力矩和钛板厚度等因素对接头拉伸性能的影响。结果表明:适度的增大螺栓与衬套的过盈量能有效提高接头的刚度和强度;在一定范围内增加拧紧力矩能提高接头的承载能力;增加钛板的厚度,对接头的刚度有明显提升,但对极限破坏载荷影响较小。      

低速冲击下复合材料加筋板的损伤阻抗性能

为确定冲击能量、几何尺寸对低速冲击下复合材料加筋板损伤阻抗性能的影响,对3组工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。通过落锤式低速冲击试验,得到了试验件的接触历程、凹坑深度和分层面积等损伤特征。基于引入纤维断裂损伤的各向异性弹塑性理论建立了有限元(FE)模型,对试验件凹坑深度进行了模拟预测,模拟结果与试验结果吻合较好。研究表明,复合材料加筋板凹坑深度随冲击能量的变化曲线存在拐点,拐点后表面冲击部位出现纤维断裂。随着冲击能量的增大,试验件的最大接触力不断增大,而分层起始载荷及分层面积则变化不大。含1.5 mm深凹坑试验件对应的冲击能量和最大接触力随筋条或蒙皮厚度的增大而不断增大,而分层起始载荷仅随蒙皮厚度的增大而增大。      

金属蜂窝板高温环境下的隔热性能试验与计算

采用红外辐射加热式气动热模拟试验系统,进行了高温环境下的金属蜂窝板隔热性能试验研究,试验温度最高达到800℃;采用有限元的方法进行了金属蜂窝板传热特性数值模拟,计算中考虑了蜂窝板内部金属蜂窝芯结构的导热,蜂窝腔内壁面间的辐射换热和蜂窝腔内空气的传热.研究结果显示,金属蜂窝板后表面的试验测试数据与数值模拟结果吻合的很好.金属蜂窝板在高达800℃高温热环境下的隔热性能数值计算和试验结果将为航天航空器的防热结构研究提供参考依据.     

考虑壁板刚度匹配的大型飞机复合材料机翼气动弹性优化设计

针对大型飞机复合材料机翼,发展了一种考虑壁板刚度匹配的气动弹性优化设计方法。基于敏度算法,以结构质量最小化为目标,以壁板刚度匹配、颤振速度、翼尖变形、设计许用值、工艺性等为约束,在严重载荷状态下设计复合材料机翼结构,研究不同壁板刚度匹配要求对于优化设计结果的影响,并与传统优化设计结果进行比较。结果表明:考虑壁板刚度匹配需要付出一定的结构质量,但对局部稳定性设计、损伤容限设计和大型复合材料壁板制造有利;壁板刚度匹配设计范围对于优化设计结果影响显著,需要根据设计和制造要求合理确定;压缩设计许用值是影响复合材料机翼气动弹性优化设计的关键约束。      

薄板的后屈曲损伤分析与疲劳寿命预估

针对薄板在面内压缩载荷作用下的后屈曲损伤问题进行了研究,并进一步考虑屈曲与疲劳损伤的耦合作用,预估了薄板的疲劳寿命.首先建立了薄板的有限元模型,通过线性屈曲分析得到屈曲临界载荷和屈曲模态,进而采用大变形理论,将线性屈曲的一阶屈曲模态作为初始位移扰动,进行薄板的非线性屈曲分析,得到屈曲临界载荷.其次,根据损伤力学理论与方法建立了薄板材料在单次加载过程中的损伤演化方程,并根据材料疲劳试验结果进行参数识别,获取损伤演化参数.根据非线性屈曲分析结果和损伤演化方程进行了后屈曲损伤分析.最后,考虑疲劳载荷的作用,基于损伤力学理论,采用有限元数值方法求解,考虑每次加载引起的损伤与后屈曲应力应变场分析的耦合作用,通过反复迭代计算,给出了结构疲劳寿命.本研究为工程结构的后屈曲损伤分析以及考虑后屈曲损伤的疲劳寿命分析提供了一种新方法和实现手段.      

含孔隙基体缎纹编织复合材料面内压缩弹性性能预报

缎纹编织复合材料细观结构复杂,传统弹性性能预报方法较难适用。针对该问题,建立缎纹编织复合材料代表体积单元(RVE),对RVE模型面内压缩弹性模量和面内泊松比的预报方法进行了研究。分别基于能量法原理和单夹杂理论,对弯曲纤维束纵向压缩模量和含孔隙基体弹性性能进行预报,改进了传统细观力学中的混合率方法,并利用已得的组分材料性能对RVE模型有效面内压缩模量和面内泊松比实现了解析法预报。基于Python语言对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了基体含孔隙的RVE模型,利用RVE模型在基本受力状态下的有限元方法结果实现有效面内压缩模量和面内泊松比的有限元方法预报。基于碳/碳复合材料,解析法与数值法计算结果吻合很好,实现了对缎纹编织材料面内压缩性能的有效预报。      

燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命预测方法

微动损伤使航空发动机榫连接结构疲劳寿命显著降低。以钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构为例，提出一种适用于复杂结构微动疲劳全寿命预测方法。基于修正的Manson-McKnight方法和多轴疲劳理论，疲劳损伤参数由等效应力参数（ESP）表征，微动疲劳裂纹萌生位置和成核寿命通过有限元分析（FEA）和ESP预测。基于断裂力学理论和最大周向应力准则，提出微动疲劳裂纹扩展数值模拟方法，建立微动疲劳扩展寿命与裂纹长度函数关系，依据裂纹终值长度预测微动疲劳扩展寿命。结果显示:钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳裂纹扩展角预测值与实验值均为18°，裂纹生长方向预测值与实验值相符；微动疲劳全寿命（成核寿命+扩展寿命）预测值在实验值的2倍分散带内；最大拉伸载荷对榫连接结构的微动疲劳全寿命影响显著，在相同应力比下，最大拉伸载荷从18 kN变化到24 kN，钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命降低1个数量级。      

复合材料单搭接胶接接头试验研究与数值模拟

针对不同搭接长度和不同被胶接件厚度的T300/QY8911层合板单搭接胶接接头进行了试验研究和数值模拟.建立了不同试验参数下的三维有限元模型,基于Hashin准则和连续介质损伤力学(CDM,Continuum Damage Mechanics)预测层合板面内损伤的起始和演化,应用黏聚区模型(CZM,Cohesive Zone Model)模拟层合板的分层损伤及胶层的失效.系统地研究了接头在不同参数下的失效模式、破坏形貌和极限载荷等的变化,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元分析模型的有效性.通过对接头的破坏形貌和应力分布进一步分析发现,胶接连接的失效模式和极限载荷均与胶接长度和被胶接件厚度有关;模拟接头胶接区在不同加载时刻的应力分布变化,反映了胶接连接在拉伸载荷下的破坏起始和演化过程.     

三维编织复合材料圆柱销剪切试验与数值模拟

复合材料紧固件连接技术是复合材料结构加工制造的关键技术之一,针对三维编织复合材料圆柱销紧固件的剪切性能进行了试验和有限元数值模拟分析。试件采用了三维全五向编织工艺进行制备。通过双剪性能测试得到了三维编织复合材料圆柱销的极限承载能力和破坏断裂形式,采用均匀化方法对圆柱销试件的宏观弹性常数进行了预测,采用改进后的Tsai-Hill准则并引入连续介质损伤力学建立了一套三维编织复合材料强度分析方法,并根据该方法对圆柱销试件在剪切载荷作用下的渐进失效破坏过程进行了有限元分析,计算结果与试验结果具有良好的一致性,表明提出的强度分析方法在预测三维编织复合材料结构件的宏观强度性能方面是有效可行的。      

复合材料开孔层板压缩渐进损伤分析

首先,针对纤维增强复合材料开孔层板进行了压缩试验,通过微距数显设备、电镜扫描和X光扫描设备检测了加载过程中的渐进损伤和试验件最终破坏模式,观测了损伤起始和45°与90°铺层间的分层现象. 其次,将复合材料开孔层板失效分为层内失效和层间失效,基于细观损伤力学MMF3理论和界面胶层单元方法建立了开孔压缩损伤跨尺度分析模型.最后,应用该模型对开孔压缩损伤起始、损伤扩展和层板破坏模式进行了预测,获得了纤维和基体损伤起始位置、分层产生位置及扩展过程、最终的分层和压入破坏等计算结果.计算结果与试验结果获得了较好的吻合,表明该计算模型适用于分析复合材料开孔压缩渐进损伤问题.      

钛合金蜂窝结构蒙皮脱焊缺陷锁相红外热成像检测

蒙皮脱焊是钛合金蜂窝结构制造和服役过程中最常见的缺陷类型。受钛合金材料热导率低的影响,钛合金蜂窝结构中蒙皮越厚,红外热成像检测时其表面反映脱焊缺陷信息的温度差异信号就越弱,检测难度就越大。针对这一问题,研究了不同蒙皮厚度钛合金蜂窝结构锁相红外热成像检测时调制频率的选取范围。建立了钛合金蜂窝结构锁相红外热成像检测有限元模型,分析了蒙皮表面温度在调制热流作用下的变化历程,基于相关算法提取了蒙皮表面对应缺陷区和非缺陷区的相位差,分析了相位差与调制频率、蒙皮厚度的关系。利用锁相红外热成像检测系统对预制脱焊缺陷的蜂窝试件进行了实验研究,获得了缺陷区与非缺陷区信号相位差与调制频率的关系。研究结果表明,针对蒙皮厚度为0.6~2.0 mm的钛合金蜂窝结构,采用0.04~0.10 Hz的调制频率能够获得最佳检测结果。研究结果为钛合金蜂窝结构实际检测提供了工艺指导。      

基于损伤力学的增材制造金属材料疲劳寿命预测

增材制造(AM)技术发展迅速，广泛应用于航空航天领域合金构件的加工制造，而很多增材制造合金构件承受循环载荷，疲劳失效破坏十分普遍。通过建立考虑增材制造过程影响的疲劳损伤模型，计算了增材制造金属材料的疲劳寿命。给出了弹塑性本构模型和考虑增材制造过程参数的疲劳损伤模型，进而给出了疲劳寿命计算的有限元数值方法；对增材制造金属材料进行了疲劳寿命预测，预测值与试验值基本吻合，并从疲劳数据的分散性及增材制造金属材料内部的孔隙率2个方面分析了计算误差；讨论了体积能量密度比对增材制造金属材料疲劳性能的影响，并对结果进行了分析，为增材制造金属材料的疲劳损伤评定提供一种有效的方法。