复合材料加筋壁板结构布局快速优化设计方法

在建立复合材料加筋壁板刚度等效模型的基础上,总结了加筋板局部、总体失稳和筋条扭转失稳的理论计算方法,并将三类屈曲的临界屈曲载荷与设计载荷相等作为优化设计准则,得到了一种适用于不同筋条截面形状的复合材料加筋壁板结构布局快速优化设计方法。将该方法的优化结果与有限元分析结果进行对比,结果表明,该算法用于复合材料加筋壁板优化设计具有较高的准确性和效率,能够较好地满足工程需求。     

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.     

含冲击损伤复合材料加筋层板压缩剩余强度

将复合材料加筋层板受低速冲击后的损伤区域描述为一个椭圆形弹性核,材料在核区的弹性模量下降由冲击表面的凹坑深度确定。利用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元来模拟含损伤区域,杆单元来模拟筋条,钉单元模拟铆钉（胶层）和常规8节点等参单元模拟其余无损区域,建立起含低速冲击损伤复合材料加筋层板的力学响应分析方法。利用基于特征曲线概念的点应力判据、最大正应力判据和最大剪应力判据分别预测蒙皮的破坏、筋条的破坏和铆钉（胶层）的破坏,从而预测加筋层板在压缩载荷下的剩余强度,获得了与试验相吻合的结果。最后讨论了损伤尺寸、损伤形态、铺层比例等参数对加筋层板剩余强度的影响。     

缝合复合材料T型加强板强度仿真研究

为提高复合材料筋条与蒙皮的连接界面强度,局部缝合技术是一种有效的方法。分别对无损伤缝合加筋板和含冲击损伤缝合加筋板采用内聚力模型模拟界面层、粘接元模拟缝合进行有限元建模（FEM）计算分析,并与轴压试验结果进行对比。两组试验结果与有限元计算分析结果偏差均不大于8.5%,表明采用有限元模拟界面层和缝线的方法是可行的;试验结果和有限元计算结果显示,当蒙皮与筋条尚未发生剥离的情况下,缝合对复合材料加筋板的压缩承载能力影响不显著。     

复合材料加筋壁板长桁蒙皮剥离失效分析

为了研究复合材料加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,基于ABAQUS有限元软件中的连续壳单元和Cohesive单元建立了有限元模型。在该模型中,采用Hashin准则预测面内损伤,而对于蒙皮与长桁缘条之间脱胶损伤的起始与扩展,则采用Cohesive单元进行模拟。采用该模型对复合材料加筋壁板蒙皮与长桁在纯弯载荷作用下的破坏过程进行仿真,仿真结果与试验结果相比较表明,本文建立的有限元分析模型能较好地模拟加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,并且能较好地预测该结构的剥离强度。     

考虑可制造性的变刚度复合材料加筋壁板的优化设计

由于变刚度复合材料具有更大的设计空间，能更充分发挥复合材料各向异性的优势，研究其优化设计方法越来越重要。本文首先考虑了工形长桁加筋壁板变刚度复合材料的可制造性，并通过自动铺丝工艺试验获得了纤维的变角度极限范围。研究了壁板面板的铺放角度对加筋结构屈曲强度的影响，然后利用Python编程，结合Abaqus有限元软件通过遗传算法对工形长桁加筋壁板的面板铺层设计进行了优化。研究发现，纤维角度变化宜控制在20°范围内，当面板与筋条同时承受压缩载荷时，面板为纯0°铺层的加筋结构的屈曲强度比纯90°铺层时要低；遗传算法稳定且收敛性好，通过优化后的结果发现，纤维角度集中在60°～65°时，加筋结构的屈曲强度最高。变刚度复合材料可提高加筋壁板屈曲性能，应用前景广阔。     

外来物冲击损伤对复材加筋板屈曲特性影响研究

为发挥复合材料加筋壁板的后屈曲承载能力,设计了含冲击损伤加筋壁板压缩失稳疲劳试验。讨论了外来物冲击损伤对失稳临界应力的影响,以及结构在疲劳载荷下,失稳-恢复-失稳的后屈曲承载过程中,屈曲损伤的扩展情况。结果表明,外来物冲击对失稳临界应力影响不明显。该型复合材料加筋壁板有较好的失稳疲劳特性,为复合材料加筋壁板设计提供了思路。     

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。     

冲击损伤对复合材料壁板强度性能影响的试验研究

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具有重要意义,规划轴压试验并对典型复合材料加筋壁板进行带损伤和不带损伤的对比试验,其中考虑不同筋条截面形状("工"字型和"T"字型)对抗冲击的影响。结果表明:冲击对加筋板的破坏位置有着显著影响;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产生显著影响;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。     

用于加筋结构的半连续有限元模型

针对飞机损伤结构安全性评定的要求,为减小加筋壁板有限元分析的计算规模,本文提出了一种二维有限元筋条模型———半连续模型。该模型可用来分析三维的飞机加筋壁板结构,分析精度及可信度显著地优于二维平条模型,与三维及准三维模型相当,而分析工作量及复杂性小于后两种模型。半连续模型还可推广用于其他薄壁结构,只要构成结构的各板元之间是正交连接而非斜交连接的。     

含离散源损伤复合材料加筋板的压缩特性

 通过对含有离散源损伤的复合材料加筋板的压缩实验和有限元模拟,研究了离散源损伤的损伤扩展与破坏特性以及对复合材料加筋板剩余强度的影响。 结果表明，复合材料加筋板的离散源损伤用穿透蒙皮切断桁条的切口来模拟是合适的，蒙皮上的穿透切口前端有很高的应变集中，桁条被切断导致加筋板传力路线改变；离散源损伤使复合材料加筋板的压缩强度下降显著，达到60％左右； 基于Hashin失效准则的渐进损伤有限元数值模拟方法，可以有效地模拟含切口加筋板的宏观损伤扩展和破坏过程，计算结果与实验值吻合较好。     

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.      

剪切载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮屈曲

对复合材料加筋壁板在剪切载荷作用下的稳定性进行研究,应用PATRAN & NASTRAN软件对加筋壁板建立有限元模型进行屈曲分析,将工程分析方法四边简支条件下的蒙皮剪切屈曲载荷计算结果与加筋惯性矩刚好满足最小惯性矩要求的加筋壁板蒙皮剪切屈曲有限元仿真结果进行对比,结果吻合良好.此有限元模拟方法所得结果可以为蒙皮剪切屈曲系数的确定提供参考.改变加筋壁板加筋尺寸,研究剪切载荷作用下不同加筋尺寸对加筋壁板蒙皮屈曲的影响.     

复合材料帽型筋条脱粘的失效机理分析

复合材料加筋结构承受后屈曲载荷时,蒙皮局部屈曲会导致筋条承受面外弯曲载荷,极易引起蒙皮与筋条的界面脱粘,最终导致结构破坏.通过四点弯曲试验模拟加筋结构受后屈曲载荷时的蒙皮/筋条界面性能,建立渐进损伤模型,分别考虑筋条与蒙皮胶接界面以及复合材料层板的失效,并引入材料刚度退化模型,详细分析蒙皮/筋条界面的脱粘机理和失效过程.分析结果与试验结果一致,表明加载跨距对于结构的失效形式影响较大,90 mm加载时,胶层均首先失效于筋条与蒙皮内角处的胶接界面,且主要受Ⅱ型剪切模式影响;而150 mm加载情况下胶层均首先失效于翼缘自由端与蒙皮交界处.正向加载时胶层失效主要受Ⅰ型和Ⅱ型混合模式影响,反向加载胶层主要受Ⅱ型剪切模式影响.界面脱粘以后,随着载荷增加,筋条腹板与缘条转角外侧出现分层破坏,损伤模型预测结果与超声扫描检测结果一致.     

航空发动机复合材料机匣弹道冲击特性

为获得复合材料作为风扇包容机匣时遭受叶片冲击载荷时的动态响应、损伤与失效模式,在空气炮装置上使用叶片形弹体对Kevlar织物层合板开展了弹道冲击试验,结果发现:复合材料靶板厚度提高25%,复合材料靶板吸收的能量提高约92%;随着叶片弹体速度的增加,复合材料靶板的损伤破坏逐渐严重,从轻微的压痕,转变为横向和纵向裂纹与分层损伤,再转变为矩形穿孔,同时靶板背面出现纤维断裂、纤维拔出与分层失效等现象;在叶片弹体撞击下,靶板上在与弹体接触的局部区域形成鼓胀变形,并在弹体击穿或反弹后发生变形回复;叶片弹体的横滚角将导致叶片的作用范围增大,使得靶板抗冲击性能有所提高。      

复合材料加筋板损伤抑制带设计与分析

研究损伤抑制带对损伤扩展的抑制机理以及损伤止裂效果对于提高结构强度和效率具有重要意义。采用渐进损伤分析方法和有限元模型分析了抑制带对蒙皮/筋条的损伤扩展的抑制情况和发生机理;讨论了损伤抑制带数量和其沿蒙皮厚度的分布等设计变量对结构剩余强度的影响。结果表明：0°损伤抑制带将蒙皮损伤抑制在缘条附近并维持一段加载历程,从而提高了复合材料加筋板的承载能力;蒙皮的失效应力随着0°损伤抑制带层数的增加而增加;对于相同数量的0°损伤抑制带,其沿着蒙皮厚度的不同分布对结构承载能力的影响很小。     

Modeling on mechanical behavior and damage evolution of single-lap bolted composite interference-fit joints under thermal effects

This paper reports the modeling method and outcomes of mechanical performance and damage evolution of single-lap bolted composite interference-fit joints under extreme temperatures. The anisotropic continuum damage model involving thermal effects is established on continuum damage mechanics which integrates the shear nonlinearity constitutive relations characterized by Romberg-Osgood equation. The temperature-induced modification of thermal strains and material properties is incorporated in stress-strain analysis, extended 3D failure criteria and exponential damage evolution rules. The proposed model is calibrated and employed to simulate behavior of composite joints in interference fitting, bolt preloading, thermal and bearing loading processes, during which the influence of interference-fit sizes, preload levels, laminate layups and service temperatures is thoroughly investigated. The predicated interfacial behavior, bearing response and failure modes are in good agreement with experimental tests. The numerical model is even capable of reflecting some non-intuitive experimental findings such as residual stress relaxation and matrix softening at elevated temperatures.     

整体壁板三维裂纹应力强度因子计算与分析

近年来,整体壁板成为飞机结构设计上一个新的研究方向。针对典型的飞机整体壁板,应用有限元软件ABAQUS建立了含裂纹整体壁板的参数化模型,对裂纹在凸台和筋条中的扩展轨迹进行三维裂纹扩展模拟。分析了裂纹在扩展过程中,凸台、筋条、蒙皮中裂纹应力强度因子的变化情况以及凸台、筋条的止裂性能。研究结果对整体壁板的损伤容限设计和评定具有一定的指导意义。