T800碳纤维增强复合材料加筋壁板压缩稳定性试验及工程计算方法验证

国内对T800碳纤维复合材料结构的研究刚刚起步,需要对其加筋壁板的稳定性进行系统地研究.通过改变蒙皮厚度、筋条间距、筋条几何参数等设计8种构型的试验件,进行压缩稳定性试验;考虑侧边边界条件及蒙皮有效宽度的影响,对两种常用的压缩屈曲载荷工程计算方法进行验证.结果表明:在相同筋条面积下,筋条惯性矩提高屈曲载荷增大,加筋壁板的破坏载荷主要取决于壁板的横截面积;蒙皮厚度和筋条间距对屈曲载荷的影响大于对破坏载荷的影响;对于薄蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D-b2/2时,计算值与试验值最为接近;对于厚蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D时,计算值与试验值最为接近.     

复合材料帽形加筋壁板剪切屈曲性能

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）帽形加筋壁板的剪切屈曲进行了试验、理论分析和数值模拟。根据线弹性理论推导了复合材料帽形加筋壁板蒙皮的应变分布；针对复合材料帽形加筋壁板3种蒙皮板条单元截取宽度和两种边界条件，利用理论公式和半经验公式计算了加筋壁板的剪切屈曲载荷；利用特征值法和几何非线性法进行了剪切屈曲模拟分析；将得到的分析结果与试验结果进行了对比。结果表明：根据线弹性理论得到的蒙皮应变分布与试验结果一致，验证了推导结果的正确性；选择合适的边界条件和蒙皮板条单元截取宽度，利用理论公式和半经验公式可得到加筋壁板较准确的屈曲载荷；利用特征值法得到的屈曲载荷较试验屈曲载荷高，选择合适的几何初始缺陷系数利用几何非线性分析方法可模拟复合材料帽形加筋壁板在剪切载荷作用下的屈曲过程。     

含离散源损伤的复合材料壁板的剩余强度评估

为研究含离散源损伤的碳纤维增强树脂基复合材料曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度，对7长桁4框的复合材料曲面帽形加筋壁板进行了试验和分析。结果表明，与离散源损伤距离超过1个典型长桁间距壁板的蒙皮和长桁在轴压载荷作用下轴向应变分布较均匀；加载过程中，损伤区附近应力重新分配，降低了应力集中，离散源损伤可简化为圆孔；基于FD判据和经典层压板理论的计算方法能较准确的计算出含离散源损伤的曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度；并针对复合材料曲面帽形加筋壁板的结构特点、应变分布特征及破坏模式提出一种在内压-轴压联合载荷下轴向剩余强度的工程估算方法；计算结果均与试验结果吻合较好。     

复合材料加筋壁板剪切屈曲工程算法验证研究

通过某型飞机的一组典型试验件的剪切试验获得的相关试验结果,使用正交各向异性矩形层压平板的剪切屈曲载荷计算公式,选用相关计算参数,并将工程理论计算结果与试验结果进行对比。研究结果发现,对文中典型试验件进行理论计算时,板元参数中当蒙皮铺层厚度选择不考虑加筋桁条底脚而取原铺层厚度、宽度选择考虑加筋桁条底脚支撑作用,计算的最终五组结果与试验值绝对误差均最小,并且小于5%。     

剪切载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮屈曲

对复合材料加筋壁板在剪切载荷作用下的稳定性进行研究,应用PATRAN & NASTRAN软件对加筋壁板建立有限元模型进行屈曲分析,将工程分析方法四边简支条件下的蒙皮剪切屈曲载荷计算结果与加筋惯性矩刚好满足最小惯性矩要求的加筋壁板蒙皮剪切屈曲有限元仿真结果进行对比,结果吻合良好.此有限元模拟方法所得结果可以为蒙皮剪切屈曲系数的确定提供参考.改变加筋壁板加筋尺寸,研究剪切载荷作用下不同加筋尺寸对加筋壁板蒙皮屈曲的影响.     

T型长桁边缘倒角对蒙皮纤维屈曲的影响

针对T型加筋壁板典型结构共胶接成型过程中T型长桁边缘处蒙皮纤维屈曲的问题,开展了T型长桁边缘倒角对蒙皮纤维屈曲的影响研究,对长桁边缘产生纤维屈曲的原因、机理以及长桁边缘倒角角度与纤维屈曲程度关系进行研究。结果表明,共胶接成型制备T型加筋壁板时,长桁缘条面边缘倒角能改善长桁缘条边缘处蒙皮的纤维屈曲的程度;长桁边缘处蒙皮纤维屈曲的剧烈程度与长桁缘条边缘倒角角度和蒙皮厚度成正比,与蒙皮铺层中90°纤维铺层比例成反比。工程应用中,对长桁边缘适当倒角,在不使用工艺软模的条件下有利于提高复合材料加筋壁板的成型质量。     

加筋壁板长桁凸缘侧向稳定性设计与研究

研究加筋壁板在轴向压缩载荷作用下长桁凸缘的侧向稳定性。结合加筋壁板强度和刚度设计因素,对长桁凸缘的侧向屈曲临界载荷进行分析,并提出长桁支撑件的刚度设计指标计算方法,为工程设计人员提供指导以提高设计效率。     

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。     

航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能

航空复合材料加筋板由于具有良好的力学性能,广泛地应用于航空结构中。本工作研究了航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能,首先应用工程方法对复合材料加筋板进行压缩稳定性计算,得到加筋板的屈曲载荷和破坏载荷的预估值;其次,开展复合材料加筋板压缩稳定性实验,得到实验件的屈曲及破坏形式、实验件的载荷-应变及载荷-位移关系和实验件的屈曲载荷和破坏载荷。结果表明:采用工程方法得到的计算结果与实验结果较为吻合,屈曲载荷和破坏载荷的误差分别为6.12%和9.31%,合理应用工程方法可以为实验提供较好的指导;加筋板的破坏形式为壁板的分层、鼓包和撕裂、筋条的断裂以及筋条-壁板的脱粘;屈曲比为1.65的复合材料加筋板具有较强的后屈曲承载能力;工程中可充分应用加筋板的后屈曲承载能力提高结构的利用效率。     

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。     

先进复合材料薄壁加筋板轴压屈曲特性及后屈曲承载性能

对国产先进复合材料薄壁加筋板结构进行了轴向压缩试验.通过监测典型位置的应变和离面位移,研究了该型加筋板的轴压屈曲及后屈曲性能.应用工程算法对试验件的蒙皮初始屈曲载荷和屈曲模态进行了预测,试验结果表明,该型加筋板的轴压屈曲形式依次是筋条间蒙皮的初始屈曲、部分蒙皮的二次屈曲以及4根筋条的柱屈曲;蒙皮发生屈曲后,蒙皮承担的部分载荷转移至筋条,使筋条成为主要承力部分,当筋条发生断裂后,试验件迅速整体破坏;其破坏载荷平均值为482.67 kN,屈曲载荷的平均值为204 kN,前者为后者的2.37倍,说明该型结构具有很大的后屈曲承载空间.     

轴压载荷下复合材料薄壁加筋板后屈曲承载能力分析与试验验证

为了研究复合材料薄壁加筋板结构的后屈曲承载能力以及影响后屈曲的主要因素,应用Abaqus软件对三种构型下的薄壁加筋板进行了有限元分析,并与试验结果进行对比。结果表明,复合材料薄壁加筋板结构在轴向压缩载荷下具有较大的后屈曲承载能力,有限元分析与试验得出的试验件后屈曲载荷均为初始屈曲载荷的7倍左右,蒙皮的厚度及筋条间距对加筋板的后屈曲承载能力影响不大,加筋板的后屈曲承载能力主要取决于筋条的刚度。在飞机结构设计中,可以充分利用薄壁加筋板结构的后屈曲承载能力来提高结构使用效率。     

T型长桁边缘倒角对蒙皮纤维屈曲的影响研究

文 摘 通常在复合材料加筋壁板结构先固化长桁,再将未固化的蒙皮与固化长桁进行共胶接过程中,由于辅助材料的架桥造成长桁边缘处蒙皮局部纤维屈曲。针对此类问题,研究了长桁边缘倒角角度、蒙皮厚度和蒙皮铺层角度3个因素对长桁边缘处蒙皮局部纤维屈曲程度的影响,并对纤维屈曲的原因和机理进行了分析。结果表明：减小倒角角度有利于减小蒙皮局部纤维屈曲的程度,同时纤维屈曲程度与蒙皮厚度呈正相关,与蒙皮铺层中90°铺层比例呈负相关。工程应用中,对长桁边缘适当倒角,在不使用工艺软模的条件下有利于提高复合材料加筋壁板的成型质量。     

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%。     

复合材料机身帽型长桁加筋壁板压缩屈曲及失效特性研究

大型客机机身壁板材料现已广泛采用碳纤维复合材料,研究壁板的屈曲及失效特性对提高结构设计效率具有重要的意义。采用工程分析、有限元分析和试验三种方法研究压缩载荷下复合材料机身帽型加筋壁板的屈曲载荷、失效载荷和失效模式;通过工程方法和有限元方法研究压缩载荷下壁板的屈曲形式和载荷,采用 Von Karman 法修正的柱失稳方法研究壁板在压缩载荷下的承载能力;依靠先进的机身壁板多轴载荷试验系统完成 3 m×2 m 机身壁板的压缩载荷试验、压缩充压复合载荷试验,验证并完善工程和有限元分析方法。结果表明：屈曲分析时需要对工程分析和有限元方法进行修正,失效分析时采用修正的柱失稳方法的分析结果比试验结果略保守。     

舰载机壁板剪切后屈曲承载能力预测与试验验证

舰载机着舰撞击对机翼盒段产生巨大的扭矩，蒙皮以剪切形式承受扭矩，这是机翼壁板的重要设计工况。为准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力，采用MSC.NASTRAN软件MRIKS弧长法，将线性屈曲分析的一致模态缺陷位移作为扰动引入后屈曲分析。考虑材料和几何双重非线性，对整体加筋壁板剪切试验件的后屈曲破坏过程进行模拟、对承载能力进行预测。根据剪切试验结果，进行对比分析。结果表明：有限元模拟的加筋板初始屈曲发生在蒙皮上，长桁足够大的相对刚度使得长桁与蒙皮连接线上出现屈曲节点，随着载荷增大，加筋壁板整体"坍塌"，与试验现象一致。有限元分析（FEA）得到的初始屈曲载荷与试验结果的误差为1.25%，预测的极限承载载荷与试验破坏载荷的误差为2.4%。表明引入缺陷后的MSC.NASTRAN弧长法非线性后屈曲计算能够准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力，为加筋壁板剪切试验和强度设计提供了分析方法。     

气囊硬度对固化后帽型长桁厚度的影响

为满足宽体客机机身轻质高强的要求，机身复合材料蒙皮需要长桁的支撑以提高复合材料壁板的刚度。为获得厚度均匀性良好的帽型长桁加筋壁板，对帽型长桁加筋壁板成型工艺中真空袋囊芯模的方法进行了改进，提出了一种硅橡胶囊芯模与真空袋囊芯模相结合的方法，获得了厚度均匀性良好的帽型长桁壁板，满足机身复合材料帽型长桁-蒙皮共固化成型时尺寸精度的要求。利用有限元仿真方法，研究了硅橡胶囊芯模截面尺寸、硅橡胶材料属性对长桁厚度均匀性的影响，结果发现所用硅橡胶囊芯模硬度越大，长桁尺寸均匀性越差。不同条件下所得长桁厚度对理论分析的准确性进行了验证。考虑硅橡胶硬度对长桁尺寸均匀性及工艺操作性的影响，最终选定所用硅橡胶气囊硬度为50HA，所得蒙皮-长桁实际测量的平均厚度与理论厚度偏差小于6%，细观分析发现蒙皮-长桁连接处纤维走向没有发生变形。     

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。     

热压罐工艺帽型加筋壁板长桁胶接变形问题

采用"干长桁+湿蒙皮"共胶接工艺制造复合材料帽型加筋壁板零件时，发现长桁在胶接固化后普遍存在压塌式变形及胶接面胶层厚度不均匀的现象。为改善上述问题以实现复合材料帽型加筋壁板的高精度成型，通过试验件的制造和检测收集了长桁胶接前后的变形数据及胶接后的胶层厚度数据，分析了长桁在热压罐中胶接时的受力状态及导致长桁变形的主要原因，并采用有限元模拟对分析进行了验证。结果表明：帽型长桁在胶接后确实发生了压塌式变形，长桁胶接时帽顶R区的内外压力差及长桁缘条侧边加压不充分是导致变形的主要原因。将长桁缘条侧边倒成斜边或可减小这种变形的程度。     

民用飞机壁板蒙皮及长桁布置结构优化设计

机身壁板是飞机结构设计的重要承载组件,轻量化、高效率、共通性设计及优化是民机设计关注的重点。首先提出一种耦合ABAQUS的Buckle分析及ISIGHT优化的设计方法,利用自编子程序获取ABAQUS屈曲特征值,将特征值输入ISIGHT中计算临界屈曲载荷,同步更新变量参数及ABAQUS文件并提交计算,迭代分析直至优化流程结束。采用上述方法考虑轴向压缩载荷情况,以壁板整体重量最小为优化目标,疲劳应力值为约束条件,对单曲度金属机身壁板的蒙皮厚度,长桁数量及长桁截面厚度等几何参数进行优化。在满足壁板结构承载能力及总重量最小条件下,综合考虑结构载重比,临界应力及壁板加筋比,对比分析出一组最优参数,并与工程算法结果对比吻合程度较好,两者相对误差为3.73%。该优化思路实现FEA平台与优化工作一体化,可用于复合材料壁板设计及结构件减重优化工作,一定程度上可缩短零组件设计周期。