大尺寸复合材料翼梁数字化设计/制造技术

翼梁尺寸大、受力复杂,是飞机的主承力结构。采用复合材料制造翼梁可达到减重、提高起重载荷并延长使用寿命的目的。为了有效承载、传载及工艺装配的需求,要求复合材料翼梁结构铺层位置、铺贴角度精准,外形公差控制严格。大尺寸的复合材料翼梁铺层复杂、截面变化多,传统的手工方法制造大尺寸复合材料零件经常会出现零件内部质量问题及质量稳定性差等状况,这就需要更高的制造工艺水平来满足工程需要。从设计到制造应用数字化技术,材料自动铺贴、裁剪、成型,可以高质量地成型复合材料翼梁,满足设计各项指标要求。     

大尺寸复合材料翼梁的研制

针对大尺寸复合材料翼梁的结构特点,采用刚性阳模配合软模的方案用于翼梁成型,翼梁模具材料选用普通钢,模具设计时对凸缘回弹和热膨胀进行合理的补偿,研制过程通过对BA9916-II系列预浸料纤维面密度和含胶量的控制实现对翼梁厚度的精确控制,保证了翼梁外型面的尺寸精度。研制的大尺寸复合材料翼梁很好地满足了设计各项指标要求,是一种低成本、高质量的成型方案,适合工程化应用。     

一种复合材料翼梁后屈曲计算方法

基于金属结构的张力场理论,考虑复合材料的特点,适当地引入假设,提出了一种复合材料翼梁的后屈曲计算方法,并与4mm左右中等厚度腹板的复合材料翼梁试验结果进行对比。结果表明,该方法可以较为准确的预测复合材料翼梁进入张力场后的应力分布和翼梁的破坏载荷,弥补了复合材料翼梁后屈曲计算方法的缺失。     

二维与三维机织复合材料面内力学性能对比

设计并制备了结构形式和工艺参数相同的二维机织层合和三维机织复合材料，利用数字图像同步测试技术（DIC）系统地开展了经、纬向拉伸、压缩试验和面内剪切试验。结合试样表面应变场的演化过程和断裂形貌分析，对比研究了二维机织层合复合材料和三维机织复合材料的承载机制、力学性能和失效机制的差异。结果表明，经纱在层间的交织联锁对机织复合材料的宏观力学行为和承载机制有重要影响，三维机织复合材料牺牲了经向拉伸和压缩性能，得到了更好的结构整体性和更高的纬向性能。此外，三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线具有明显的非线性特征。同时，经纱对纬纱的强约束导致了纤维束/基体界面上的弱粘接，降低了三维机织复合材料抵抗剪切变形的能力。     

基于变角度算法的复合材料翼梁自动铺丝

在采用固定角算法的复合材料"C"型翼梁自动铺丝试验中,预浸丝在翼梁的拐角区域出现严重的屈曲与皱褶。在分析了其原因的基础上,利用翼梁的结构和受力特点,使翼梁的自动铺丝轨迹尽量向测地线方向靠近,可以显著减小预浸丝在过拐角时的偏转角度,从而消除预浸丝的皱褶和屈曲。轨迹进入非可展翼梁曲面的缘条后,相邻预浸丝束间会出现无法通过自动增减纱动作进行控制的重叠或间隙,在拐角区域采用变角度轨迹设计方法消除微小的重叠或间隙,实现了"C"型翼梁的满覆性铺放,可减少缺陷,提高构件的力学性能。     

2.5维机织复合材料细观几何模型及刚度预测方法研究进展

本文从2.5维机织复合材料细观几何结构出发,讨论了织造及成型工艺对材料实际细观几何结构的影响,并分析了不同纱线截面及路径假设所建立代表性体积胞的优缺点。对考虑工艺因素的代表性体积胞是否具有统一性和体素单元法建模的合理性做出对比分析。在代表性体积胞的基础上,重点讨论了2.5维机织复合材料刚度的数值预测方法,并将其与刚度的理论预测方法作了简单对比。基于刚度的数值预测方法,分析了各种机织参数对刚度系数的影响,并且对比了不同代表性体积胞模型的应力场。此外,还讨论了2.5维机织复合材料叶片的建模分析技术与刚度设计方法。最后,指出了当前2.5维机织复合材料细观建模及刚度预测方法存在的问题与不足,并且对其力学性能研究的发展趋势进行了展望。     

可用于短舱结构的机织复合材料几何参数对力学性能的影响分析

基于建立的复合材料渐进失效模型（PD model），通过引入机织复合材料纤维束波动形态特征，对PD模型进行了修正。通过与实验结果及其它模型结果的对比验证了修正后模型的有效性。同时，采用PD模型系统，全面地分析了平纹机织复合材料的几何参数包括波动角、编织角、总体纤维体积分数对其力学性能的影响，获得了机织复合材料力学性能随几何参数变化的趋势。其中指出Graphite/Epoxy机织复合材料由于其纤维与基体模量差异性较大而造成其力学性能相较于E glass/Epoxy机织复合材料受波动角的影响较大；编织角对机织复合材料面内力学性能的影响更为显著，面内力学性能随编织角的变化以一种波动形式出现；机织复合材料的总体纤维体积比越大，纤维束的力学性能就越强，机织复合材料的力学性能也就越强，且这一增长趋势接近于指数增长。     

大展弦比无人机翼梁结构刚度优化设计

以某型无人机翼梁结构为研究对象,应用结构拓扑优化设计技术对其进行刚度优化设计。将翼梁腹板划分为多种不同的拓扑优化设计子区域,以结构刚度最大化为设计目标,考虑子区域材料用量、结构强度、翼尖变形等约束,对比了不同子区域划分方式下的设计结果,获得了适用于大展弦比机翼翼梁结构拓扑优化的腹板子区域划分方式,对原始翼梁结构进行改进,改进后的翼梁结构满足强度、刚度设计要求。     

整体翼梁支柱刚度对腹板稳定性的影响研究

整体翼梁支柱通常用来提高腹板剪切稳定性,支柱的强弱直接关系梁的初始剪切屈曲临界应力.为研究支柱刚度与梁腹板稳定性的关系,设计了4组不同参数的整体翼梁腹板剪切稳定性试验,通过试验与理论计算的对比分析,给出了一种可靠的整体翼梁支柱刚度计算方法,为整体翼梁设计及强度分析提供参考和指导.     

2.5维机织结构复合材料的弹性性能预测

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设,重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况,建立了2.5维机织复合材料的弹性性能预测模型.同时,试验测定了6种结构62个试件的弹性模量.数值预测与试验结果对比表明:研究建立的弹性性能预测模型可以较好地反映2.5维机织复合材料的内部结构;在2.5维机织复合材料弹性模量预测中,表层与内部经纱的差异不可忽略.      

2.5维机织复合材料纬向拉伸过程初始屈服准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,而目前对该类复合材料的破坏机理和失效原因尚未形成统一的认识。根据三维机织复合材料的拉伸试验现象,基于经纱曲面层板纬向纤维和树脂应力相等的假设,建立了2.5维机织结构复合材料纬向拉伸过程的初始屈服条件和屈服准则。通过对2.5维机织复合材料3种结构12个试件进行纬向拉伸试验及文献中的三维机织复合材料拉伸试验,与计算预测结果的对比表明本文中建立的初始屈服准则的合理性。研究表明,树脂横向裂纹是2.5维结构复合材料纬向拉伸过程初始屈服产生的直接原因;2.5维机织复合材料出现纬向拉伸屈服的条件仅和经纱曲面板内的经纱体积含量、纤维和基体的弹性模量及基体的拉伸破坏强度等因素有关,而与经纱曲面板的走向和层数无关。因为组分弹性模量不同,在纬向拉伸过程中,树脂应变高于复合材料的应变。树脂的初始横向裂纹首先发生在纤维密集处,并向富树脂区扩展;裂纹在向纤维方向扩展过程中受到纤维的阻碍而受到限制。     

平纹机织与2.5D机织复合材料平板弹道冲击特性对比

为研究碳纤维平纹机织和碳纤维2.5D机织复合材料平板的弹道冲击响应及失效模式,在空气炮装置上使用圆柱弹体对其进行了弹道冲击试验。通过弹道极限速度、吸能总量、单位面密度吸能量和单位厚度吸能量等指标评估其弹道冲击特性,并采用超声C扫描和CT扫描唯象分析其冲击损伤。结果表明：在等厚度下,碳纤维平纹机织复合材料平板与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,展现了更优的弹道冲击性能。碳纤维平纹机织复合材料平板的主要失效模式为分层失效,碳纤维2.5D机织复合材料平板主要为剪切充塞失效。与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,平纹机织复合材料平板弯曲变形明显,大量的纤维拉伸失效增加了平板吸能量,提高了弹道极限速度,但分层会导致平板损伤区域大,完整性较差;碳纤维2.5D机织复合材料平板损伤区域小,完整性好。     

基于细观结构的三维机织复合材料弹性性能的分析

三维机织复合材料具有复杂的细观结构,通过采用双凸透镜的几何形状来描述被压扁的纤维束横截面,引入细观结构和几何参数,建立了基于织物细观结构预测三维机织复合材料的纤维体积分数和弹性常数的方法。通过参数分析预测了结构和几何参数对三维复合材料弹性性能的影响。开发了一个具有友好界面的三维机织复合材料弹性性能的分析软件,为复合材料结构设计者选定适合的织物增强结构提供了有效的计算工具。理论计算结果与实验值的比较,表明了分析方法的正确性。     

基于声发射技术的2.5维机织复合材料损伤机理研究

利用声发射技术对2.5维浅交弯联机织复合材料在整个拉伸过程的各种损伤发展、演化进行了试验研究.结果表明:2.5维机织复合材料拉伸损伤演化可分为损伤初始、损伤严重和快速断裂3个阶段.     

混合机织复合材料刚度、强度及低速冲击性能试验研究

将二维机织碳布和单向预浸料碳布按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点。试验测定不同比例的混合机织复合材料的面内刚度、强度,采用落锤法进行多个能量级别的低速冲击试验和准静态横向压缩试验,用超声波C-扫描法记录各试验件的内部损伤面积,并测量剩余压缩强度,分析这种混合机织复合材料在综合考虑刚度、强度以及低速冲击损伤容限等因素下的最佳铺层比例。     

复合材料网格增强充气翼梁的抗弯承载和极限耐压性能研究

本文将网格增强薄膜材料的概念应用到无人机充气翼中,提出了复合材料网格增强充气翼的概念,通过试验测试着重分析了复合材料网格增强充气翼梁的抗弯承载和极限耐压性能。试验结果表明,复合材料网格增强充气梁抗弯承载性能优异,复合材料网格增强充气梁的极限耐压能力提升显著。     

三维机织复合材料弹道冲击试验研究

先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点，是航空发动机应用研究的热点。本文通过弹道冲击试验研究三维机织复合材料平板在高速物体冲击下的损伤失效机制及其力学行为，采用高速相机记录下了靶板受冲击损伤变化过程，分析了不同速度对三维机织复合材料平板损伤形貌的影响。试验结果表明，三维机织复合材料具有优异的抗裂纹萌生和扩展性，冲击表面的主要破坏模式是纤维剪切破坏和基体破碎，在出口表面主要破坏模式是纤维拉伸断裂和基体开裂。本研究可用于支撑验证碳纤维增强树脂基复合材料包容性，为航空发动机复合材料机匣研制提供基础。     

三维浅交弯联机织复合材料弯曲性能的有限元分析

借助Pro/Engineer绘图软件,建立三维浅交弯联机织复合材料及弯曲压头的结构模型,进行弯曲性能研究。借助ANSYS Workbench有限元软件,探究复合材料在5 mm弯曲位移载荷作用下纤维、树脂和复合材料的应力、应变分布,并对复合材料的破坏模式进行预测。结果表明:三维浅交弯联机织复合材料在弯曲载荷的作用下,试样与上、下压头接触处最容易发生弯曲破坏;三维浅交弯联机织复合材料在承载弯曲载荷时,增强体纤维起到主要承载作用,树脂基体起次要承载作用;在5 mm的弯曲载荷作用下,复合材料的破坏模式主要是树脂的破碎。     

三维机织复合材料拉伸性能有限元分析与试验验证

正三维机织复合材料是三维增强结构复合材料的一种,和传统层合板相比具有良好的层间性能和抗冲击能力,在建筑、交通、国防、航天航空等领域具有广泛的应用前景。三维机织复合材料在实际应用中主要承受拉伸、弯曲和冲击载荷的作用。目前对于三维机织复合材料力学性能的预测方法主要包含解析法和有限元法,解析法的优点在于能够将材料力学性能的计算参数化,通过调整不同的结构和织造参数可以得到相应参数对材料力学性能的影     

基于遗传算法的大展弦比复合材料机翼结构优化设计

结构减重是飞机设计的一个重要目标,采用复合材料代替金属材料以及对结构进行优化设计可以达到减重的效果。针对一个大展弦比复合材料机翼,采用遗传算法,通过Matlab调用Patran进行建模分析,以结构强度、刚度为约束条件,同时对翼梁位置和复合材料铺层进行优化设计;根据实际工艺要求建立复合材料铺层库,以解决复合材料铺层变量过多的问题。结果表明:本文提出的优化方法有效,对工程设计有较大的指导意义;复合材料铺层库在其他涉及复合材料铺层优化的问题中也具有广泛的应用前景。