铝蜂窝夹层结构穿孔损伤复合材料修理技术研究

铝蜂窝夹层结构穿孔损伤的高效、低成本修理对保障航空装备的完好性具有重要意义。针对铝蜂窝夹层结构穿孔损伤金属面板提出复合材料碳纤维湿补片胶接修理工艺，结合飞机典型铝蜂窝夹层结构形式制备完好和穿孔损伤试样，对穿孔损伤试样开展复合材料胶接修理，建立铝蜂窝夹层结构复合材料挖补胶接修理后四点弯强度分析有限元仿真分析模型，并通过仿真计算分析穿孔损伤大小对铝蜂窝夹层结构四点弯强度的影响规律及修复后强度恢复情况。结果表明：复合材料挖补胶接修理可有效恢复穿透损伤铝蜂窝夹层结构的弯曲强度；有限元仿真计算结果与试验结果基本一致，仿真模型能够较为准确地计算各类试样的极限载荷及失效模式；当损伤范围≤φ30 mm（径宽比小于40%）时，复合材料胶接修理工艺可应用于飞机铝蜂窝夹层结构损伤修理中。     

夹层结构长梁弯曲试验研究

对由碳纤维增强的复合材料面板和Nomex蜂窝组成的夹层结构进行长梁弯曲试验,分析了复合材料面板不同铺层形式对夹层结构失效载荷及弯曲刚度的影响,根据夹层结构不同失效模式对其失效载荷进行了预测.研究结果表明:试验载荷-位移曲线整体呈现非线性.面板铺层为[0/90]的夹层结构在载荷达到破坏载荷的60%时,载荷-位移曲线出现非...     

共固化复合材料/铝蜂窝夹层结构性能

采用共固化工艺制备了碳纤维增强复合材料面板/铝蜂窝夹层结构。通过考察固化压力对复合材料面板性能的影响确定了共固化的成型压力,对比分析了不同规格铝蜂窝及其夹层结构的力学性能。结果表明,对于薄面板,成型压力对面板力学性能的影响较小,规格为0.04 mm×4 mm的铝蜂窝制备的夹层结构具有更高的比强度和比刚度,且成型工艺性好。     

铝锂合金加筋壁板剪切屈曲性能

为研究剪切载荷下2A97铝锂合金加筋壁板的屈曲与后屈曲行为,设计了加筋壁板和夹具,完成了壁板的剪切试验;得到了加筋壁板的失稳载荷、破坏载荷以及破坏模式;采用受剪板屈曲与张力场理论计算了加筋壁板的剪切屈曲失稳载荷;建立有限元数值计算模型对加筋壁板屈曲行为进行计算分析,并将数值结果与试验结果对比。结果表明：加筋壁板的屈曲模式为筋条间蒙皮的局部屈曲;加筋壁板的破坏模式为沿加载对角线方向蒙皮的凸起,破坏原因为蒙皮的塑性变形、撕裂以及筋条的扭转变形;利用张力场理论可以得到较准确的屈曲失稳载荷,与试验误差为6.56%;数值模拟得到的屈曲与破坏模式与试验吻合,失稳载荷和极限载荷与试验结果误差分别为1.22%和11.52%。     

多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究

多孔金属夹芯结构已被广泛应用于航空航天等领域,研究其抗爆吸能性能具有十分重要的意义。分别对金属空心小球和泡沫铝两种夹芯壳结构在TNT爆炸载荷作用下的抗爆性能进行爆炸实验,并采用AN-SYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟研究。结果表明:金属空心小球夹芯结构作为抗爆吸能结构是可行的;在结构框架尺寸与质量相同时,内面板厚外面板薄的夹芯结构具有更好的抗变形能力,内面板薄外面板厚的夹芯结构则具有更好的吸能特性;在结构框架尺寸与质量相同时,负梯度夹芯结构、并列型小球夹芯结构、小半径小球夹芯结构具有更好的抵抗爆炸载荷和吸收冲击能量的性能;在结构框架尺寸与质量相同时,金属空心小球夹芯结构的整体强度更高,而泡沫铝夹芯结构能更充分地发挥芯层的缓冲性能。     

复合材料面板全高度蜂窝翼面结构分析

针对复合材料面板全高度蜂窝夹层翼面结构,基于MSC. Patran/Nastran创建了翼面有限元模型,对均布载荷作用下的结构进行了仿真分析。结果表明:翼面结构最大位移2. 79 mm,曲屈载荷33. 7 kN。工程方法计算得到翼面结构曲屈应变1 308. 6με。静强度试验中实测翼面最大位移2. 81 mm。理论与试验相结合的方式分析夹层翼面结构,最大位移值偏差约0. 7%,证明了仿真分析模型的合理性,为该类型结构的工程应用提供了一定的参考。     

镁合金在卫星铝蜂窝夹层结构板中的应用

为满足卫星轻量化的要求,选用轻质合金替代卫星铝蜂窝夹层结构板中的铝合金埋件.对比铝-铝、碳/环氧-镁和铝-镁的剪切试验和拉脱试验的试验结果,结合卫星铝蜂窝夹层结构板的结构特点,分析镁合金埋件替代铝合金埋件的可行性.     

先进铝锂合金机身壁板结构承载能力研究

铝合金是目前飞机蒙皮,长桁和框的首选材料。但第三代铝锂合金在密度、断裂、疲劳、耐腐蚀方面明显优于常规铝合金。因此,铝锂合金正逐步在机身结构中得到应用。本文通过有限元模拟和试验相结合的手段对铝锂合金机身壁板结构的压缩、拉伸和剪切承载能力和变形形式进行了分析。研究结果表明,铝锂合金机身壁板结构和常规铝合金壁板结构的失效模式是一致的。     

复合材料增强铝方管耐撞性数值模拟

基于复合材料增强铝方管准静态轴向压溃试验结果,通过有限元仿真方法研究其耐撞性及压溃吸能特性.建立复合材料增强铝方管双层壳单元有限元模型,进行仿真分析获得其变形失效模式及载荷位移曲线等,通过与实验数据对比验证材料模型及有限元模型的准确性,并进行压溃结果分析.基于验证的有限元模型,研究薄弱环节设置、复合材料纤维铺层角度对其轴向压溃吸能特性的影响.结果表明:顶部设置圆孔薄弱环节比设置45°外倒角更能有效改善吸能特性;随着复合材料纤维铺层角度的增大,其吸能能力会随之增强.     

1420铝锂合金典型构件超塑成形研究

采用超塑成形工艺制备了1420铝锂合金盒形结构试验件.通过有限元模拟及微观组织观察,分析了温度对1420铝锂合金超塑性的影响,超塑成形后试验件的壁厚分布及材料的超塑成形断裂机制.结果表明:有限元模拟能够很好地预测超塑成形后试验件的壁厚分布;当成形温度为520℃时,1420铝锂合金表现出良好的超塑性变形能力;在超塑成形过程中,随着变形量的增加,材料内部空洞的交连和聚合是导致1420铝锂合金最终破坏的主要机制.     

国产超薄铝蜂窝芯材在太阳翼基板的应用

针对太阳翼基板国产高性能低密度超薄铝蜂窝的自主可控需求,开展分析和试验,验证国产超薄铝蜂窝芯材应用于太阳翼基板的技术可行性。首先建立有限元模型进行准静态载荷分析,基板蜂窝芯子最大横向剪切应力为0.345 MPa,小于剪切强度0.36 MPa,满足强度裕度要求。其次,针对目前超薄蜂窝研制批次稳定性较差、剪切模量波动性较大的问题,对蜂窝剪切模量波动对基板力学性能的影响进行分析,结果表明,基板应力应变分布水平对剪切模量变化不敏感,蜂窝剪切模量降低50%后,基板蒙皮碳纤维最大应变减小3%,蜂窝芯子最大横向剪切应力减小9%,基板最大位移增加7%,可为蜂窝评估提供数据支撑。最后,开展基板缩比件和全尺寸基板的力、热试验,试验后基板未发生损伤。分析和试验结果表明：国产超薄铝蜂窝芯材性能满足要求,可在太阳翼基板上应用。     

基于瞬间液相连接成形泡沫铝三明治的弯曲失效行为

泡沫铝三明治结构（aluminum foam sandwich, AFS）既具有泡沫铝轻质、阻尼减震、吸能防护等优异特性，又能解决单一泡沫铝强度较低、易损坏等问题，在航空航天、汽车制造、轨道交通、精密机床等工业领域具有广阔的应用前景。本工作基于熔体发泡法，采用瞬间液相结合技术，以纯TA2为面板、Al-2Ca合金为发泡基材，制备尺寸为80 mm×80 mm×18 mm的泡沫铝三明治结构，泡沫芯中含有大量均匀的孔隙，其中多面体状的孔隙占据了较大面积；面板与芯层之间观察到平均厚度为7.5μm的结合界面，各元素在结合层处形成扩散并以金属间化合物的形式存在。测试结果表明：不同密度的三明治结构在弯曲实验下的载荷曲线呈现出线弹性区、快速降载区和平台区三个明显的区域；试样所能承受的最大峰值载荷为1120.5 N、屈服强度为15.64 MPa，随着密度的提高，芯部孔隙率的减小，AFS材料的抗弯强度随之提高；弯曲程度在15 mm时，AFS密度增加15.9%的情况下，弯曲吸能WEA和比吸能WSEA分别提高3.59倍和3.22倍；失效模式为泡沫铝芯层的压缩密实变形和芯材剪切、开裂以及TA2面板的弯曲变形和剥离...     

动态环境下铝蜂窝压缩冲击试验方法研究

为了研究铝蜂窝材料在动态冲击载荷下的缓冲吸能的性能特征,根据冲击试验环境要求,设计了一种吸能铝蜂窝压缩冲击试验方法。先将铝蜂窝缓冲器与夹具吊篮下落到一定速度来模拟真实环境;然后给缓冲器施加要求的冲击载荷使铝蜂窝压缩吸能;最后将各个传感器采集的数据进行处理和计算,得到铝蜂窝压缩吸能的各项参数。为比较铝蜂窝材料在动态冲击和静力压缩下的力学特性提供客观依据,确定满足某缓冲器设计要求的铝蜂窝材料规格。     

压缩载荷下夹层结构斜坡过渡区域性能分析

建立了泡沫夹层结构斜坡过渡区域的三维(3D)有限元模型,进行了斜坡过渡区域的坡度角分析优化。基于有限元分析软件MSC.Patran/Nastran,建立了考虑斜坡过渡区面板铺层递减的泡沫夹层结构的有限元模型,研究了结构在单轴压缩载荷作用下的力学行为,进一步讨论了坡度角对于夹层结构过渡区域结构强度和稳定性的影响规律。研究结果表明,泡沫夹层结构坡度角在25°~30°时能够达到提高结构承载能力及减轻结构质量的双重目的。     

加筋壁板在不同边界条件下的稳定性分析

对T800纤维增强复合材料加筋壁板进行压缩稳定性有限元分析和试验,研究加载端固支与四边简支条件下,边界条件对结构的屈曲模态和屈曲载荷的影响。有限元数值分析和试验结果表明,在不发生板平屈曲的条件下,两类不同的边界条件对屈曲模态和载荷都有所影响。同时,试验还有效地验证了有限元数值分析结果。通过有限元分析得到的屈曲载荷和模态与试验得到的结果也能较好地吻合。     

2099铝锂合金型材热压下陷模具结构优选

2099铝锂合金型材热压下陷成形在飞机零件制造中应用广泛,下陷成形时容易出现温度分布不均、型材上表面回弹不一致以及裂纹等缺陷,模具结构对其下陷零件的质量具有较大影响.通过热力耦合有限元数值模拟预测2099铝锂合金型材热压下陷成形过程,分析上述缺陷产生的原因,对模具加热结构、测压块和固定下模进行优选.有限元数值模拟和试验结果表明,优选后的模具能够较好地消除或缓解上述缺陷,提高了下陷零件的质量.     

冲击载荷作用下的锥壁失效仿真及试验验证

根据航空发动机支承锥壁结构受力特点,对风扇叶片飞失冲击载荷作用下的锥壁失效破坏机理进行了研究.利用显式动力学有限元仿真方法,对冲击载荷作用下的锥壁结构动态失效过程进行了瞬态分析.开展了对锥壁的落锤冲击试验,并与分析结果进行了对比验证.试验和分析结果表明:冲击载荷作用下锥壁减薄处破坏为剪切失效破坏.采用的显式动力学有限元...     

蜂窝夹层结构稳定性模拟研究

蜂窝夹层结构随面板厚度或芯层厚度的逐渐变化会出现不同的屈曲现象。建立考虑芯层几何特征的有限元模型,研究临界失稳载荷与失稳形式的内在关系,分析了面板厚度、芯层厚度和面板-芯层厚度比对夹层结构稳定性的影响规律。研究结果可为蜂窝夹层结构的工程应用提供依据。     

结构静力数学模型的精化

用有限元方法获得的结构初始数学模型受多种因素影响,同真实结构相比存在着误差,直接用初始模型进行破坏载荷与破坏部位预计往往难于准确。重要结构尤其是飞机结构的静力破坏试验需要预估破坏载荷与破坏部位,以便合理安排试验大纲。本文建议从静力平衡方程出发,利用非破坏静力试验结果精化结构有限元初始理论模型,提高应力—应变分析结果的精度,进而提高破坏载荷和破坏部位的预估精度。模拟试验结果证明了本文方法的可靠性和可行性。     

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。