航空复合材料纸蜂窝夹芯结构热成型开裂研究

飞机复合材料芳纶纸蜂窝夹芯部件在热压罐成型时处于热-力耦合工况。本文关注热成型过程中可能出现的蜂窝开裂现象,通过试验获得了蜂窝芯的拉、压、剪性能参数和芳纶纸的热性能参数,同时结合有限元分析手段和反演方法,对整体蜂窝夹芯部件的热-力顺序耦合和局部芯子抽真空导致的蜂窝胞元间压强差进行数值模拟。结果表明：成型过程中的热应力不会导致蜂窝胞元间胶层开裂,局部憋气的压差可能导致蜂窝开裂;胶层部分破坏与胶层完全破坏所需的胞元间压强差的差值与胶层初始法向断裂应力正相关;胶层完全破坏所需的胞元间压强差随着受载胞元数量的增多而减小。     

基于有限元的Nomex蜂窝芯等效面内模量计算

正蜂窝夹层结构具有较高的比刚度和比强度,被广泛应用于航空航天领域。对于蜂窝夹层结构,一种方法常采用壳单元模拟以获得整体力学响应~([1])。另一种方法则采用壳单元模拟面板并建立蜂窝芯细节模型,蜂窝壁面用壳单元或实体单元模拟~([2]),这种方法可以精确地捕捉蜂窝芯与面板的脱粘、蜂窝芯局部损伤及壁面屈曲等细节特性,但随着结构尺寸的增加,计算成本急剧增加。为了提高计算     

复合材料泡沫夹芯板胶接修理的压缩性能

针对复合材料泡沫夹芯结构在维修结构性能研究方面的缺失,在完成了复合材料泡沫夹芯板的维修与压缩性能测试之后,建立了结构有限元分析模型,结合夹芯结构的稳定性理论解析模型,并对复合材料泡沫夹芯结构的胶接修理压缩性能进行验证。结果表明:通过试验结果简化了有限元分析模型中的胶层设置;应用复合材料夹芯结构的稳定性理论解析模型,能够快速获得复合材料夹芯维修结构的侧压极限载荷上限值;复合材料泡沫夹芯修理结构的主要侧压破坏模式为面板一阶与二阶屈曲失效,该结果说明复合材料泡沫夹芯修补结构的有限元模型与解析稳定性理论模型的计算精度较高,具有较强的工程实用性。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲强度

考虑到点阵芯层的结构形式及杆单元以拉压为主的变形模式,基于连续介质等效理论,提出了一种全新的位移场假设,并以此编写了计算点阵夹芯复合材料屈曲强度的有限元程序.通过与不同试样的压缩试验的比较,对碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲行为进行了分析,并且验证了程序的有效性.同时,采用程序,讨论了点阵参数(包括杆单元长度、半径及倾斜角)对点阵夹芯复合材料结构屈曲强度的影响规律.结果表明:芯层体积分数相同的情况下,金字塔型和四面体型点阵夹芯结构的屈曲强度相差不大,后者略高.所得结论对点阵夹芯复合材料结构设计具有一定的指导意义.      

U形夹芯结构复合材料蒙皮制造技术研究

针对U形夹芯结构复合材料蒙皮在实际成型过程中存在的主要问题进行了研究,在蜂窝芯局部稳定辅助手工倒角、蜂窝芯外形控制、铺层交叉固持及零件外形检测等方面对成型工艺进行了改进,并对相应的改进进行了深入分析。研究结果表明:通过对蜂窝的局部稳定化处理,实现了过拉伸蜂窝芯手工修切过程中倒角表面质量的明显改善;通过对外形样板的优化设计,实现了过拉伸蜂窝芯外形尺寸的精度控制;通过对铺叠过程中铺层的交叉固持,避免了U形夹芯结构复合材料蒙皮固化时的压力传递问题,有效解决了蜂窝芯收缩、铺层滑移皱褶及内部分层等问题;通过简易卡板、定力夹紧装置与塞尺方式相结合的方法,实现了零件状态下外形的高效测量。     

复合材料、蜂窝夹层和/或金属结构有限元分析

本文针对复合材料层钣的特点发展一种新的层钣有限元分析方法,建立了等参体元、超参壳元、体-壳过渡元及元外节点元的刚度矩阵。这些元素适用于各向同性材料、正交异性材料、蜂窝夹层和/或复合材料层钣的有限元分析,可以逼真地描述形状复杂的结构;还可以用来解决当前复合材料层钣研究的重大课题——层间应力计算问题。从工程应用出发,探讨了上述各种结构的最大承载能力,利用增量变刚度法提出一种解决复合材料这一非线性问题的分析方法。文中给出了一些算例,计算结果表明,所述方法是十分有效的。     

轻质量低成本无人机舵面结构优化与验证

复合材料蜂窝夹芯结构因其高比强度、比模量及可设计性而广泛应用于航空飞行器结构。文章提出了 1种轻质量、低成本舵面结构方案——通过增大蜂窝芯密度使其剪切模量提高,进而降低复合材料面板应力水平,减小面板厚度。首先,根据理论选择通过增大蜂窝密度提升蜂窝剪切模量;然后,对结构进行有限元计算与分析,发现蒙皮应力水平随蜂窝芯剪切模量增大而显著降低;最后,设计不同蜂窝芯密度的蜂窝夹芯结构进行试验。试验结果证明,蜂窝芯越致密,其典型力学性能越高,冲击后的剩余强度也越高。     

密布多孔构件的低周疲劳寿命予测和试验研究

一、多孔构件应力场有限元分析　　为了计算多孔的涡轮叶片和燃烧室等构件的应力应变 ,我们编制和开发了壳体弹塑性有限元分析程序。用退化方法从三维单元推导出的曲壳单元。这种单元直接离散连续介质力学的三维方程 ,避免了由一般壳理论带来的复杂。曲面等参元具有独立的转角自由度和平移自由度 ,三维应力应变就退化为壳体情形。本文编制的这种退化壳单元程序还可进行各向异性材料的应力应变分析[1 ] 。涡轮叶片因开有很多孔而使结构强度大大降低 ,由于孔间的相互影响 ,应力场相当复杂。我们用下列三种简化模型作计算分析。三种平板尺寸为 …     

用张量分量混合插值的复合材料壳元公式

将张量分量混合插值壳体理论推广至复合材料壳元，并集成入大型有限元分析软件ＡＰＯＬＡＮＳ。该复合材料壳元具有线性、几何非线性及热弹性分析功能。可用于非对称、非均衡复合材料结构分析。与常规８节点复合材料壳元比较有精度好、效率高，且避免了单元“锁定”     

先进无损检测技术在复合材料缺陷检测中的应用

针对飞机复合材料构件全生命周期无损检测问题,介绍喷水超声C扫描技术、相控阵超声技术、空气耦合超声技术、激光超声技术和红外热成像技术在复合材料检测中的最新应用.研制大型喷水超声C扫描系统和新型超声、红外检测系统并开展试验研究,采用喷水超声方法,实现了蜂窝夹芯复合材料构件的C扫描检测;采用相控阵超声检测方法,实现了碳纤维复合材料R角检测;采用空气耦合超声方法,实现了蜂窝夹芯复合材料检测和PMMA板的导波检测;采用激光超声方法,实现了碳纤维复合材料分层检测;采用红外热成像方法,实现了蜂窝夹芯复合材料结构检测.研究表明,提出的超声、红外检测技术可以用于飞机复合材料构件全生命周期的大型结构检测、复杂结构检测、非接触检测、高精度检测和外场快速检测.     

复合材料壳体的应力和稳定性分析

一、引言 在现有的文献中,复合材料壳体的稳定性计算,大都采用环元针对轴对称分布载荷的轴对称旋转壳进行的。但是在实际结构中有大量的非轴对称壳体,壳壁大都是变厚度,实际载荷也大多是非轴对称分布,并且往往还有由温度改变而产生的热应力,或称它为“热载”。为了解决这些更为广泛的实际问题,开展了这项研究工作。     

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。     

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。     

航空发动机复合材料机匣屈曲特性的有限元分析

复合材料是60年代出现的一种性能优异的新型材料,目前复合材料在航空航天结构领域里已得到了一些的应用。本文利用线性板壳理论和线性屈曲模型,针对某航空发动机树脂基复合材料外涵道机匣构件及此材料层合板进行结构有限元建模与屈曲特性的有限元分析,以期为航空发动机的结构设计提供参考依据。      

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。     

Analysis of the effect of stiffener profile on buckling strength in composite isogrid stiffened shell under axial loading

In this paper, the buckling behavior of thin-walled GFRP cylindrical shells with triangular lattice patterned reinforcements formed by helical and circumferential ribs under axial force is analyzed. In this analysis, various models of composite isogrid stiffened cylindrical shells with outer diameter of 150 millimeters, shell thickness of 0.5 millimeters and height of 280 millimeters, stiffened with 6 helical and 2 circumferential ribs and all with the same material properties of shell and ribs are used. Ribs have constant section areas but different shapes and cross section profiles. The effects of these differences on buckling strengths of structures under axial load are studied. For analysis and modeling of structures, Finite Element Analysis method and ANSYS software were used. The results (elastic buckling load) for each model were derived and based on these results, ratio of buckling strengths to weight parameters were calculated for each model and were compared to results obtained from other models. The effect of profile of the ribs on the buckling of shells under axial loading can be concluded from the results. Results showed that stiffening the shells increased the buckling load from 10% up to 36% while decreased the buckling load to weight ratio to 42% up to 52% of an unstiffened shell.     

复合材料层合加筋板结构的后屈曲强度及破坏研究

 对于复合材料加筋层合板结构提出了一个逐步破坏的分析模型，它包含结构总体变形的几何非线性分析和结构内部材料局部损伤破坏的分析及其两者的相互作用。基于这一模型采用非线性有限元分析方法，研究了在压剪载荷作用下层合板结构的屈曲、后屈曲路径和破坏时极限载荷。     

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。     

复合材料格栅结构稳定性与优化分析

阐述了复合材料格栅结构稳定性及优化分析方法研究概况。指出在格栅结构初级设计阶段可利用拟膜分析法对等效的格栅平板、圆筒及锥筒进行整体屈曲计算即可,而对于复杂构型格栅结构,由于不对称性及拉-压-扭耦合效应存在很难获得解析解,需借助有限法对结构进行非线性求解而求得其真实力学响应,同时还介绍了其他算法,如遗传算法。最后介绍了复合材料格栅结构破坏机理的一些试验方法。     

旋转FGMs层合圆柱壳行波模态频率分析

为推进功能梯度（FGMs）材料在发动机、导弹和火箭等领域的应用，旨在研究旋转FGMs层合圆柱壳的行波模态频率。采用Voigt模型和Sigmoid体积分数描述FGMs层合圆柱壳的材料属性，考虑科里奥利力、离心惯性力、环向初应力以及热内力推导了FGMs层合圆柱壳的能量表达式。采用切比雪夫正交多项式构造位移容许函数，建立了任意边界旋转FGMs层合圆柱壳的模态频率方程，并探讨了组分含量、夹层厚度、温度梯度和弹簧刚度系数等对FGMs层合圆柱壳模态频率的影响。结果表明:夹层厚度相比Sigmoid体积分数对模态频率的变化更为敏感；高旋转短薄壁圆柱壳相比长薄壁圆柱壳对边界条件和失稳现象的影响更为敏感；轴向弹簧相比其他弹簧对模态频率的影响更大。