含分层损伤的复合材料层压板轴压剩余强度分析

基于渐进损伤分析方法对含正方形分层损伤的复合材料层压板开展了剩余强度仿真分析。不同损伤尺寸大小的仿真结果表明,层压板的轴压剩余强度和失效机理与分层损伤尺度密切相关,分层损伤尺寸较小时,层压板剩余强度对损伤尺寸不敏感,降低幅度较小;损伤尺寸大于某一临界值后,层压板剩余强度较完好结构件大幅度下降,并趋于稳定;中小尺寸分层损伤层压板在屈曲后,其失效模式为结构件中部横向整体直接压溃;大尺寸分层损伤层压板出现子层屈曲诱发的界面损伤并扩展,在复合材料薄板中部压溃前达到最大剩余强度。该仿真结果对复合材料损伤容限设计、修理具有指导意义。     

复合材料胶接修补结构剩余强度分析

随着复合材料在航空结构中的广泛应用,航空复合材料修补技术也成为研究热点。通过复合材料单面胶接维修方法,将抛物线型损伤演化规律应用于胶层的损伤分析。对商业有限元软件进行了二次开发并建立了数值模型,研究了补片尺寸与厚度对修补结构压缩强度的影响。对复合材料胶接修补结构试验件进行剩余强度试验,研究了补片形状、尺寸、厚度等参数对修补后结构压缩剩余强度的影响。数值模拟结果与试验值吻合良好,误差在5%以内。     

损伤容限结构的最优维护策略

本文以结构损伤容限分析和可靠性评估为基础,应用动态序列规划技术,并考虑到结构的检测费用、修复费用和可能失效损失的相互关系,建立了计算结构在剩余寿命期内的期望维护费用与期望损失之和的序列递推数学模型,进而提出了以总期望维护费用与总期望损失之和最小化来抉择航空结构最优维护策略的原则和步骤。     

飞机复合材料结构安全系数确定方法研究

安全系数的确定需要考虑载荷和强度的分散性、材料属性、制造工艺的缺陷和误差等,载荷和强度是两个主要方面,因为它们是最基本的设计数据。目前普遍采用的安全系数值为1.5,是个常数。介绍了安全系数的概念,阐述了安全系数评估流程,并采用基于失效概率的方法来评估飞机复合材料结构安全系数的取值,对影响安全系数取值的因素,包括外载荷、冲击能量、剩余强度等变量,进行了统计分析,介绍了损伤漏检概率计算方法,给出了失效概率计算流程及安全系数评估流程。     

典型机身框地板梁缘条裂纹修理损伤容限分析

采用简单有效的方法对复杂的飞机结构进行损伤容限评定具有重要的意义,提出一种简单有效的应力强度因子获取方法,并结合损伤容限分析的一般流程,分析某机身框地板梁缘条含裂纹修补结构的疲劳寿命及使用寿命期内结构的剩余强度。根据机身框地板梁结构受载特点建立简化的分析模型,计算单位载荷时不同长度下裂纹尖端应力强度因子,再由结构边界载荷与应力强度因子的关系确定无量纲应力强度因子;根据损伤容限分析方法编制程序,计算结构在飞行载荷谱下从初始裂纹扩展到临界长度的寿命及各裂纹长度下结构的剩余强度,给出结构检查间隔。结果表明:结构修补后的疲劳寿命及剩余强度均满足损伤容限设计要求。本文给出的损伤容限分析过程及方法可应用于工程中类似结构的损伤容限评定。     

航空结构损伤容限设计中的三维问题

在对三维断裂问题研究的基础上,对航空结构损伤容限评定中的三维问题进行了综合评述。详细分析了现行损伤容限分析的断裂力学基础、剩余强度评定、材料抗裂性能确定、常幅及谱载荷下寿命预测等重要环节中三维应力状态的作用,提出了解决问题的初步设想,给出了一些最新结果。并对介质、温度环境和载荷共同作用下材料失效中的三维问题等做了简述。最后提出了实现高可靠性损伤容限设计必须解决的三维问题。     

复杂结构体系可靠性分析主要失效模式枚举的工程准则法

在考虑复杂结构的材料性能、外部载荷的随机性基础上，首次建立了以概率相对重要度为指标的枚举复杂结构系统强度、刚度主要失效模式的工程准则，此准则考虑了模式各类变量均值对概率相对重要度的影响，也考虑了元件强度和允许位移值的变异性。最后给出某型飞机全动平尾转轴体系可靠性分析算例。     

共因失效相关同级叶片系统可靠性分析

为了准确地分析航空发动机的可靠性，针对航空发动机失效模式多、相关性复杂的特点，在考虑失效模式相关性的基础上，建立了共因失效相关的结构系统可靠性模型。采用蒙特卡罗法和近似数值分析法对航空发动机同级叶片系统在叶片静强度不足失效、叶片外缘变形碰摩失效及考虑2种失效模式下的可靠度进行了计算分析。分析表明与共因失效相关的可靠性模型相比，传统的不考虑失效模式相关性的可靠性模型使可靠度评估过于保守。近似数值分析法在保持与蒙特卡罗法计算精度相同的情况下，能够大幅提高计算效率。     

复合材料Ω形加筋壁板低速冲击渐进损伤及剩余强度分析

研究复合材料Ω形加筋壁板结构在不同能量及位置的低速冲击作用下的渐进损伤及其冲击后剩余强度具有重要意义。通过编写VUMAT子程序,将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型中并与文献中试验进行对照，进一步研究不同冲击位置及不同冲击能量对于模型冲击载荷、渐进损伤及剩余强度的影响。结果表明，在加强筋中央位置处冲击对结构剩余强度影响最大；相同冲击位置处，冲击能量越大，结构损伤越严重，剩余强度越小。这为复合材料Ω形加筋壁板的结构设计提供了参考。     

含多裂纹结构的概率损伤容限评定方法

将概率断裂力学理论与损伤容限／耐久性设计方法有机地结合起来,考虑结构初始疲劳裂纹尺寸及其扩展过程的随机性,建立了裂纹相互独立条件下的多裂纹结构的全寿命概率损伤容限评定模型,并成功地运用于机翼主梁的可靠性评定,给出指定疲劳寿命下的安全可靠度或指定安全可靠度下的安全疲劳寿命。     

钛合金结构损伤容限设计可行性研究

对飞机结构常用金属材料损伤容限特性进行了对比分析,针对TC4和TA15损伤容限特性较差的缺点,研制出两种超低间隙（ELI）钛合金TC4ELI和TA15ELI,并对其进行结构损伤容限设计可行性论证。进行了两种超低间隙钛合金和普通钛合金裂纹扩展寿命、剩余强度和疲劳全寿命对比实验。实验结果表明：具有片层组织的超低间隙钛合金相对于普通成分钛合金断裂韧性和裂纹扩展特性有明显改善,剩余强度和疲劳全寿命相当;应力水平相当时,超低间隙钛合金工程可检裂纹扩展寿命比航空结构中常用铝合金稍长。因此,对于超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI可以进行损伤容限设计。     

飞机结构广布疲劳损伤的研究进展

老龄飞机结构的广布疲劳损伤（WFD）严重危害结构的完整性,成为近几年保证飞机结构完整性的研究热点之一。传统的损伤容限分析对广布疲劳损伤结构不适用,含WFD结构中多个裂纹之间的相互作用使得结构的损伤容限评估复杂化。介绍了国内外老龄飞机结构广布疲劳损伤研究的进展情况,包括应力强度因子、剩余强度、裂纹扩展以及裂纹形成的研究,展望了进一步研究的方向。     

一种轻型直升机复合材料主承力管梁的强度分析与试验验证

根据某型直升机平尾主承力管梁的结构特点和受力特性,研制了一种全复合材料平尾主承力管梁结构。通过理论计算进行可行性分析,并采用MSC.Patran/Nastran建立了管梁有限元分析模型,根据实际载荷及约束条件进行了静强度分析,给出了结构应变与位移结果;同时设计了强度试验方案,对管梁结构进行静强度试验验证。结果表明:全复合材料主承力管梁结构满足强度设计要求,与金属材料相比,减轻了17.6%的结构重量,充分体现了复合材料管梁结构优良的整体性能和承载能力,为复合材料应用于直升机主承力结构提供了依据。     

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。     

胶接修复工艺的复合材料外涵机匣强度分析

航空发动机结构复材化是发动机减轻质量的主要途径。针对复合材料外涵机匣服役后的损伤特点，选用胶接修复工艺进行机匣修补。研究了不同胶接修复方法的修复效果和适用范围。基于三维渐进损伤方法，使用Abaqus软件建立了复合材料外涵机匣典型件胶接修复模型，对机匣危险区域损伤孔边和翻边处模拟了复合材料损伤的产生和演化，预测了使用填胶修复和预浸料修复的典型件模型静拉伸强度和实际机匣模型的静压缩强度。结果表明：损伤深度不超过厚度的10%时采用填胶修复以恢复气动外形，损伤深于厚度的10%至贯穿时预浸料修复能同时恢复机匣的强度和刚度。     

基于失效概率的涡轮后机匣全局灵敏度分析

涡轮后机匣是航空发动机安全的关键部件,但是其具有工况复杂、不确定性因素多的缺点。为了探究输入随机变量的不确定性对涡轮后机匣结构失效概率的影响,建立参数化有限元模型进行确定性分析。考虑材料性能、几何参数及外部载荷的不确定性,对涡轮后机匣两种典型失效模式：强度失效以及刚度失效建立极限状态函数;通过构造自适应Kriging 代理模型并结合重要抽样方法评估涡轮后机匣结构失效概率,利用基于失效概率的全局灵敏度方法对涡轮后机匣结构可靠度的不确定性来源进行分析,对各输入随机变量重要性进行排序,构建一种涡轮后机匣全局灵敏度分析框架。结果表明：涡轮后机匣在两种失效模式以及系统失效模式下,发动机推力以及线性膨胀系数对结构失效概率影响最为显著,应对其重点考虑;内外机匣长度以及材料弹性模量对涡轮后机匣结构失效概率影响较小,可对其适当忽略。     

航空发动机限寿件表面特征概率损伤容限评估

为满足航空发动机适航规章(FAR/CCAR33.70)限寿件安全性评估要求,系统总结了基于特殊材料数据库、线弹性断裂力学分析与表面特征失效概率分析的表面特征概率损伤容限评估方法。以表面孔特征为例,总结分析符合适航规章要求的孔特征概率损伤容限评估流程,描述优化的孔特征评估方法,根据咨询通告AC33.70-2中带孔特征轮盘算例完成概率损伤容限评估模型的验证。结果表明:20 000循环寿命期内,不进行无损检测和在4 000及8 000循环对相互独立的90%部件进行两次无损检测的失效概率分别为2.677×10-4和1.514×10-4,符合适航算例校准要求。基于优化评估方法计算的失效概率为3.406×10-4,可初步判定表面特征适航符合性。该评估方法为限寿件表面孔特征评估提供技术支持,并对其他表面特征的评估具有一定的指导意义。      

新型航天材料结构演化与安全评定

本成果不仅可用于航天产品先进复合材料结构和时效分析 (如固体火箭发动机缠绕壳体与弹翼 ) ,而且可用于普通复合材料和结构分析 ,如建筑、机械、压力容器 ,特别是航空结构 ,飞机在飞行一定周期后 ,确定其剩余寿命。本成果创造性地利用剩余刚度预报剩余强度和寿命 ,建立了剩余刚度衰退理论 ;建立了材料主要力学性能的随机概率模型 ;给出了刚度强度以及寿命的定量关系 ;分析了诸多载荷并考虑自由边缘效应情况下的材料可靠性分析规律。研制出ＨＩＴ—ＹＡＮ分析含缺陷复合材料层合板的分析软件 ;建立了层板脱层失效分析的能量理论 ,为复合材料…     

多欧拉域耦合法在平尾鸟撞中的应用

鸟撞是威胁航空安全的重要因素之一。目前的研究多是对单一试件或结构的一次性鸟撞，而对鸟体穿透撞击部位后，对其他结构造成二次冲击的研究较少。为了研究这种问题，基于流固耦合算法，建立了多欧拉域耦合的某直升机平尾全尺寸模型。在考虑空气影响的前提下，详细分析了鸟撞平尾过程、前缘和前梁的损伤形式、平尾的位移响应、鸟撞载荷规律以及冲击载荷对平尾根部结构的影响，并与试验结果进行了对比。研究表明：鸟体在穿透前缘时未发生解体，其对前梁的二次冲击载荷同样很高，平尾结构设计需要考虑鸟撞是否会造成平尾根部断裂，鸟撞载荷具有阶跃函数的特点；结构响应时间对比冲击载荷有明显的滞后效应。     

国产碳纤维复合材料开孔拉伸失效分析与预测

基于国产碳纤维复合材料含孔层合板失效模式和损伤机理研究,结合试验分析建立了符合其失效机理的有限元模型,并在有限元模型中研究了不同失效准则对剩余强度计算结果的影响,通过比较试验数据与数值模拟结果表明:二维模型能比较准确地预测国产碳纤维复合材料含孔层合板的剩余强度,破坏载荷的数值模拟与试验数据的相对误差为7.9%,而拉伸模量的相对误差为5.6%.