航空金属次加筋壁板及其稳定性研究

航空轻量化结构的设计与制造目前是航空工业与学术界研究的热点问题。引入了金属次加筋板的概念,简要阐述了其定义与研究进展。对引入次加筋之后,加筋板可能出现的新的屈曲模态进行了探讨。利用有限元软件ABAQUS建立了次加筋板模型,分析了线性屈曲性能,并与文献中的试验数据进行对比,验证了有限元模拟的有效性。最后建立了针对次加筋结构的优化框架,在等重情况下,对次加筋结构的位置与尺寸进行优化,得到了临界屈曲载荷与极限承载能力都优于原始设计的优化结构设计。结果表明,次加筋板作为对传统加筋板的一种改进,拓展了设计空间,并能够有效提升传统加筋板的稳定性能,值得航空工业进一步研究。     

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。     

轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力研究

建立了轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力分析有限元模型,计算了航空结构中典型的工字型、T型和帽型复合材料加筋板的屈曲载荷,并采用渐进损伤分析方法对复合材料加筋板后屈曲极限破坏载荷与破坏模式进行了研究.研究了筋条截面形状、筋条铺层方式对复合材料加筋板后屈曲特性的影响,研究结果可以为复合材料加筋板的设计提供参考.     

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。     

复合材料加筋板剪切稳定性研究

对三种尺寸的复合材料薄壁加筋板在剪切载荷作用下的稳定性及承载能力进行了试验研究,得到结构的屈曲形式以及屈曲失稳、破坏载荷。试验结果表明复合材料加筋板在屈曲失稳后仍有较大的承载能力;蒙皮厚度及筋条数目对板的屈曲及破坏载荷有较大影响。     

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。     

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。     

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。     

冲击损伤对复材壁板强度性能影响的试验研究

为了研究冲击损伤对复合材料加筋壁板稳定性和承载能力的影响,规划轴压试验对典型复材加筋壁板进行带损伤和不带损伤的对比试验,并考虑了不同筋条截面形状对抗冲击的影响。结果表明,在给定冲击能量下,长桁底缘边缘冲击损伤和长桁轴线冲击损伤对加筋板的稳定性和承载能力没有显著影响,在长桁面积相当的情况下, “T”字型长桁加筋板的抗冲击能力强于“工”字型长桁加筋板。     

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.      

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。     

先进战斗机强度设计技术发展与实践

新一代先进战斗机对机体平台的要求可以总结为轻重量、长寿命、多功能以及高承载。实现这个目标，除了材料与制造（新材料、新工艺、新结构/装配）的贡献，主机所强度设计/分析/验证技术也必须提升以适应先进战斗机的研制要求。本文阐述了强度设计团队围绕结构完整性要求，近年来在结构强度设计/分析/验证方面的研究成果、技术发展与设计实践，主要包括：面向新一代战斗机强度设计与验证的规范架构，基于多维包线的结构载荷筛选技术，基于统一模型的全机内力分析技术，复合材料整体化结构分析技术，高精度快速细节应力分析技术，内埋武器舱预紧舱门原理与强度设计，双曲面加筋壁板快速建模及声疲劳分析方法，结构故障预测与健康管理系统设计等。上述研究成果已成功应用于新一代战斗机机体平台研制。     

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。     

连续纤维增强整体叶环结构方案优化设计

为设计出更轻质高强度的轮盘,提高航空发动机推重比,基于ANSYS优化平台,提出并建立整体叶环子午面结构参数化模型,筛选子午面主要结构优化设计变量,在金属盘结构设计准则应力标准基础上,提出并建立纤维增强整体叶环轻量化结构优化设计数学模型。扩展并建立复合材料轮环结构优化设计约束条件。借助轮环结构优化数学模型及ANSYS优化方法,通过典型纤维增强整体叶环结构优化设计,得到满足所有强度约束条件下的轻量化轮环结构,钛基SiC纤维在增强整体叶环结构的同时可以减少39.92%的质量,表明纤维增强整体叶环设计技术在叶环结构减重方面具有明显优越性,表明纤维增强整体叶环结构方案设计方法的有效性。     

重载四旋翼无人机结构优化设计与强度计算

多旋翼无人机结构设计是无人机研制的重要环节,结构优化设计方法是保证无人机安全飞行、提高无人机性能的关键。根据重载四旋翼无人机性能要求,设计一款最大有效载荷10kg、可折叠、质量轻、强度高的四旋翼无人机。建立无人机结构有限元模型,基于实际工况对机臂及中心板进行静力及屈曲分析;对机臂及中心板的铺层方案进行优化,校核结构强度、刚度和稳定性;并搭建无人机静力测试平台,完成重载四旋翼无人机结构静力加载试验。结果表明:相对结构初始铺层方案,机臂减重43%,中心板减重35%,全机结构累计减重560g;试验测点的应变值与分析值相对误差小于15%,验证了无人机有限元模型和优化设计方案的可靠性。     

复合材料蒙皮/长桁壁板结构优化设计

针对复合材料蒙皮、长桁组成的典型刀型加筋结构,提出了一个两级三层优化方法。第1级壁板结构的质量为目标函数,采用改进的可行方向法对壁板结构进行尺寸优化。第2级以壁板结构的屈曲临界载荷作为目标函数,采用多层复合形法对壁板结构进行加筋尺寸优化和遗传算法对复合材料蒙皮进行铺层顺序优化。最后通过算例验证了优化策略的合理性。     

复合材料机身壁板的强度分析与试验验证

复合材料在大型客机机身主承力结构应用是近年来的发展趋势，通过分析与大型壁板试验结合的方式研究了复合材料机身壁板的静力承载能力，以及疲劳与损伤容限特性。采用理论公式、半经验公式、有限元模态分析研究了蒙皮的屈曲载荷、壁板的承载能力。依靠创新的机身壁板多轴载荷试验系统，模拟机身壁板的实际受载情况，实现充压载荷、拉伸/压缩、剪切载荷的独立施加与组合施加。通过静力试验验证蒙皮屈曲的工程及有限元分析方法和壁板的剩余强度承载分析方法。引入预埋缺陷、BVID、VID冲击损伤，通过试验研究了损伤对应变分布的影响，并通过疲劳、损伤容限试验，验证了壁板的设计以及损伤的无扩展特性。     

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。     

复合材料加筋筒段压载荷承载能力优化

复合材料加筋筒段是航空航天领域广泛采用的结构构形,其结构形式决定了重量及承压能力。为了研究加筋筒壁的承载能力,分析筋条间距、筒段长度和四种典型工程筋条截面的影响;以结构轻重量为目标函数,结构临界屈曲载荷、筋条局部屈曲载荷为约束,采用梁轴惯性矩平移模型,对复合材料筒壁0°、±45°、90°各铺层总厚度和筋条截面尺寸进行优化。结果表明结构轻重量设计中τ型桁条最有利,并得到其设计曲线,为工程设计应用提供参考。