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。     

复合材料开孔薄壁加筋板剪切屈曲及后屈曲研究

薄壁加筋结构是飞机尤其是直升机结构的典型构型,随着复合材料在直升机上的大量使用,研究复合材料加筋薄壁结构在开孔后的剪切屈曲和后屈曲问题的分析方法,提高分析进度,是直升机结构强度设计的技术关键。以复合材料开孔薄壁加筋板试验为基础,测试了加筋板剪切屈曲和后屈曲应变及载荷历程,仿真分析了试验结果,建立了一种以risk算法、Hashin失效准则的有限元分析模型,提供了一种复合材料开孔薄壁加筋板剪切屈曲和后屈曲分析的设计方法。     

分层缺陷对复合材料加筋层压板压缩强度的影响

针对飞机复合材料加筋层压板结构,设计了含有预埋分层缺陷的复合材料加筋层压板的典型试验件以及压缩试验装置,研究了分层缺陷位置和大小对加筋板压缩强度的影响。研究结果表明:分层缺陷会改变加筋板的破坏模式,浅表分层在压缩过程中表现为局部屈曲模态,局部屈曲强度只有其破坏强度的30%~60%,分层直径增加,局部屈曲强度降低。局部屈曲发生后,加筋板尚可进一步承载,直至层板失稳破坏。本文给出的数据和结论对实际飞机结构设计的参数确定和生产过程中的超差问题处理具有重要参考价值。     

加筋板壳结构初始后屈曲有限元分析

 本文将渐近屈曲理论应用于加筋板壳结构的总体初始后屈曲分析,在近似位能泛函中保留了更多的小项,并讨论了适当缩小大型结构计算区域的问题,给出了一个便于工程应用的小型有限元程序。     

典型飞机壁板结构的抗屈曲优化设计与试验验证

加筋壁板是飞机机身和机翼中常见的典型承力结构,其在轴压和机身弯矩载荷作用下极易发生屈曲失效,严重制约飞行器安全性能与服役周期。飞机结构静强度校核时多采用经验公式进行工程计算,其中加筋壁板结构承载能力的工程计算与机身框结构端部支持系数的选取密切相关。现有飞机型号研制中端部支持系数的选取通常较为保守,结构安全裕度大、质量冗余,阻碍了飞行器轻量化水平的进一步提升。为此,首先基于欧拉长柱失稳理论,建立了基于切缝法的典型飞机壁板结构端部支持系数仿真计算模型;同时深入分析了端部支持系数与加筋壁板结构和支撑框段的耦合作用关系;进一步地,分析了框、长桁等结构特征参数对端部支持系数的影响规律,并分别开展了框、长桁-蒙皮以及框-长桁-蒙皮协同优化的飞机壁板结构抗屈曲设计;最后,基于增材制造缩比样件和轴压屈曲试验,验证了典型壁板结构抗屈曲优化设计方法的有效性。所建立的仿真分析模型和优化设计方法实现了飞机壁板结构抗屈曲性能的有效提升,对进一步提升飞机性能指标具有重要意义。     

复合材料帽型加筋壁板轴压屈曲工程算法验证研究

计算复合材料加筋壁板轴向压缩屈曲载荷的方法会根据不同工况而各异。文章研究了四边简支、四边固支等边界条件下,考虑帽型加筋桁条底脚对蒙皮的支撑作用,按不同的厚度折算方式时,多种工程理论计算方法对复合材料帽型加筋壁板试验件轴向压缩屈曲载荷分析的适用性,并将工程理论计算结果与试验值进行了对比。计算结果表明,多种方法中只有四边固支,并假设桁条与蒙皮轴向刚度相等进行的加筋桁条底脚厚度折算时,最终计算的结果才与试验值吻合较好,误差在可接受范围。由于试验件批量若干,试验件的相关结构参数、铺层顺序以及边界条件具有典型性和代表性且与工程实际结构有相关性,故该方法对于飞机工程型号设计以及强度分析快速计算具有参考和借鉴意义。     

复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计研究

在先进的复合材料飞机结构上大量采用复合材料加筋板这种结构形式。因此,本文着重研究了复合材料变厚度加筋板后屈曲、冲击损伤与冲击损伤对承载能力的影响,以及复合材料变厚度加筋板冲击损伤、后屈曲、耐久性/损伤容限设计一体化综合试验方法。最后,作者根据多年从事飞机型号结构设计经验,并结合本文的研究结果,总结出15项复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计技术,以期对我国预研新机的复合材料飞机结构设计,对已研飞机的复合材料飞机结构改进、评定有所启示。     

飞机典型复合材料加筋壁板结构稳定性及破坏强度分析

为考察飞机典型复合材料加筋壁板结构的稳定性及破坏强度,本文将计算在轴压载荷下,复合材料加筋壁板结构的失稳载荷及破坏载荷。通过对稳定性试验、有限元计算、工程算法3种方法结果的比较,摸清复合材料加筋壁板在轴压载荷下的稳定性和极限承载能力,找出壁板失稳规律,为今后的复合材料加筋壁板稳定性计算提供理论依据。     

加筋板破坏载荷计算中的蒙皮有效宽度计算方法适应性验证

飞机机身和机翼结构多采用中长加筋板,中长加筋板在轴压载荷作用下的破坏载荷一直是工程中研究的热点;目前中长加筋板破坏载荷计算多采用Johnson-Euler方程,涉及到蒙皮有效宽度计算。对国内外常用的有效宽度计算方法进行分析,说明其产生的根源,并通过机身加筋板试验结果对其适应性进行验证。结果表明：对于薄蒙皮铆接Z型机身加筋板破坏载荷计算,本文介绍的有效宽度计算方法都能使计算误差控制在 10%,可为飞机设计人员对轴压加筋板设计提供帮助。     

基于缺陷敏感度的加筋短板承载能力

加筋短板以其高比强度成为飞机结构的基本元素,其设计方法是基于传统的Euler柱屈曲理论和Timoshenko板壳弹性稳定性理论,由于进行了假设和简化,不能很好地预测破坏载荷。采用GMNIA（Geometrically and Material Nonlinear Analysis with Imperfections）分析方法对加筋短板的承载能力进行仿真分析,结果与试验数据吻合良好。基于GMNIA方法开展了不同类型的几何缺陷对加筋短板承载能力敏感度分析,研究了初弯曲、初偏心以及初变形对加筋短板承载能力的影响。给出了表征加筋短板初弯曲和初变形缺陷的计算公式,为有限元模拟加筋短板破坏过程及预测承载能力提供了技术支持。此外,给出了初弯曲下加筋短板承载能力的设计许用值,提出了通过控制加工制造公差量来提高结构极限承载能力的设计建议,具有明确的工程应用意义和实用价值。     

复合材料层合板壳通用单元和等网格加筋板壳的局部稳定性

 本文根据多变量拟协调罚函数法构造了15自由度三角形复合材料层合板壳厚薄通用单元。文中以各向同性和等网格加筋板壳的局部稳定性为算例,证明了该单元的有效性,并讨论了结构跨厚比α/h,弹性模量比E_1/E_2、铺设角,铺层数以及边界支承条件与剪切效应和耦合效应间的关系。     

复合材料叠层板壳有限元的渐近解

 本文针对复合材料叠层板壳结构建立了一个分层计算的有限元模型,此模型的特点是以参考面的位移和各层横向剪应变作为独立的自变量,导出了叠层板壳的有限元模式,这是和原有分层模型的本质区别,从而具有以下优点:(1)刚度矩阵具有良好特性,可采用渐近法求解,大大提高了计算效率,克服了分层模型中的最大困难;(2)完全避免了较薄的板壳在有限元计算中常发生的“剪切自锁”现象;(3)较精确地考虑了各层的剪切效应,无须再引入剪切修正系数。还采用此模型较好地解决了任意铺层的叠层板弯曲、叠层板脱层屈曲和承受任意载荷的轴对称叠层壳的弯曲等问题,证明了此模型的优点和可靠性。此模型还极易推广应用于叠层板壳的动力、稳定和层间应力等问题。     

复合材料薄壁圆柱壳体的稳定性

 本文讨论了复合材料圆柱壳体稳定性的复杂性,总结了已经取得的研究成果,并与有关实验进行了比较。重点评述了几何非线性、物理非线性、初始缺陷、横向剪切效应和前屈曲变形状态等因素对失稳性能的影响。对今后的工作给出了建议。     

几何非线性样条单元

 <正>结构的有限变形与稳定性分析具有重要意义。有限元法的应用,促进了几何非线性研究工作的开展。本文在线性样条单元C’〕的基础上提出一种几何非线性样条板壳单元,壳体的应变位移关系采用Von一K巨rmon方案,以分片样条Hermite插值构造单元的位移模式。对于弱非线性问题,采用修正的Newton一Raphson法解非线性方程组。对于极值点失稳情况,以固定弧长法追踪屈曲路径,并用曲线拟合的方法确定结构的临界载荷值。     

复合材料非对称正交层合薄壳固化变形研究

运用里滋法研究了复合材料正交层合薄壳固化变形。考虑几何非线性,建立了固化变形分析模型。探讨了不同铺层顺序对固化形状的影响。理论和实验结果吻合较好。基于理论模型的计算和实验均表明,薄壳不存在如同薄板那样的分岔现象。模型对薄壳的制造也具有指导意义     

Nonlinear deformation and stability of discretely reinforced elliptical cylindrical shells under transverse bending and internal pressure

A finite element formulation of solving the stability problems for the discretely reinforced noncircular cylindrical shells is presented taking into account that their subcritical stress strain state is instantaneous and nonlinear. The author-developed finite elements for a natural-curved shell and the beam elements of reinforcements are used. A numerical algorithm to study the nonlinear deformation and stability of shells was developed. The stability of a stringer-stiffened cylindrical shell with an elliptical cross-sectional contour under transverse bending and internal pressure is examined. We also investigate the effect of internal pressure, ellipticity and nonlinearity of deformation, as well as of reinforcement discreteness and heterogeneity.     

G/K织物混杂增强复合材料层合板冲击损伤特性研究

采用空气炮实验装置、渗透剂增强的X射线照相法和高强光背射法对中心受到横向冲击的G／K织物混杂增强复合材料层合板的冲击损伤情况进行研究，讨论了G、K织物交替铺层时层合板的应力特征与损伤状况，分析了面、背板与芯板材质变化时层合板的应力与冲击损伤的关系、铺层角变化时层合板的损伤特征。结论强调指出，为提高复合材料层合板的抗弹能力，应采用混杂铺层、铺层角的错配方式，并避免将Kevlar作为背板使用。     

几种基于组合方法的复合材料层合板壳单元

 为了方便合适地选取单元进行工程分析,本文基于开放式结构有限元分析系统SiPESC.FEMS,提出一种基于经典模型的复合材料层合板壳单元程序计算框架。此框架利用组合的方法,考虑平面壳单元中板、膜单元之间的关系以及程序编制过程中的重用性、灵活性等特点,采用了软件设计中的构造器(Builder)模式实现不同的复合材料层合板壳单元。本框架具有一定的通用性和可扩展性,能够处理复杂荷载、边界条件及三维空间不同材料铺设方向的层合板壳的结构分析问题。基于此方法实现了5种复合材料层合板壳单元,通过数值算例分析对比讨论各单元性能,显示了本框架具有简单实用等特点以及采用组合方法构造单元的优势。     

复合材料叠层板壳材料非线性有限元分析

 本文采用通用于复合材料叠层厚、薄板壳的Heferosis三维退化曲壳元,利用Hill屈服准则和层状模型法,研制了针对金属基复合材料叠层板壳进行弹塑性分析的超参元程序。算例结果表明,叠层板壳分析方法和所编程序是可靠的,精度良好。     

无喷管发动机燃速特性的实验研究

针对无喷管发动机的工作特点,采用二维片型装药实验方案,对高燃速含铝丁羟复合推进剂做了相当数量的试验来研究其燃速特性.试验参数的选择应用正交设计法.在此试验的基础上,参照有关的燃烧理论,得出了适合无喷管发动机工作特点的固体推进剂的实际燃速表达式.