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。     

复合材料帽形加筋壁板剪切屈曲性能

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）帽形加筋壁板的剪切屈曲进行了试验、理论分析和数值模拟。根据线弹性理论推导了复合材料帽形加筋壁板蒙皮的应变分布；针对复合材料帽形加筋壁板3种蒙皮板条单元截取宽度和两种边界条件，利用理论公式和半经验公式计算了加筋壁板的剪切屈曲载荷；利用特征值法和几何非线性法进行了剪切屈曲模拟分析；将得到的分析结果与试验结果进行了对比。结果表明：根据线弹性理论得到的蒙皮应变分布与试验结果一致，验证了推导结果的正确性；选择合适的边界条件和蒙皮板条单元截取宽度，利用理论公式和半经验公式可得到加筋壁板较准确的屈曲载荷；利用特征值法得到的屈曲载荷较试验屈曲载荷高，选择合适的几何初始缺陷系数利用几何非线性分析方法可模拟复合材料帽形加筋壁板在剪切载荷作用下的屈曲过程。     

大型机身壁板复杂应力场试验技术

机身壁板在拉伸、压缩、剪切、气压等多种载荷形式下的静强度及耐久性/损伤容限是飞机强度研究中的重要课题，以往的试验技术仅能模拟机身壁板在以上几种载荷单独或联合作用下的均匀应力/应变场。然而飞机机身在舱门或舷窗等大开口结构周围的应力分布十分复杂，单一载荷或少数几种载荷的叠加无法准确模拟复杂的应力场。为了实现对机身壁板大开口结构周围应力分布的准确模拟，开展了大型机身壁板复杂应力场试验技术研究，研发了一套多载荷联合施加试验装置，具有单独或联合施加轴向(拉伸/压缩)、弯曲、面内剪切、端部剪切、地板梁(轴力和弯曲)及气压载荷的能力，各载荷施加系统相互解耦无干涉，通过优化计算各类载荷比例，并按比例联合施加各载荷可使考核区的应力/应变分布与全机有限元解保持一致。经静力和疲劳试验验证，本试验技术和装置能够实现对机身壁板复杂应力/应变状态的准确模拟。     

复合材料蒙皮壁板的非线性屈曲分析

高空长航时无人机的发展给蒙皮壁板结构的轻质设计提出了更高的要求。采用复合材料并基于后屈曲承载能力进行设计是一种可行的设计途径,而复合材料蒙皮壁板的非线性屈曲分析是设计中的关键问题。文中采用Riks弧长法,以长航时无人机3个部位的复合材料蒙皮加筋壁板为例,分析得到了壁板的屈曲特性和后屈曲损伤演变过程。3个关键部位壁板的线性屈曲载荷和后屈曲失效破坏载荷的对比表明,复合材料蒙皮壁板在发生屈曲之后,仍有很强的承载能力。     

复合材料加筋壁板的后屈曲逐步损伤及承载能力研究

通过对复合材料加筋壁板的后屈曲有限元分析和试验,给出了复合材料加筋壁板的临界载荷、损伤演化和后屈曲承载能力。理论预测与试验结果符合情况良好。     

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.     

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。     

舰载机壁板剪切后屈曲承载能力预测与试验验证

舰载机着舰撞击对机翼盒段产生巨大的扭矩，蒙皮以剪切形式承受扭矩，这是机翼壁板的重要设计工况。为准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力，采用MSC.NASTRAN软件MRIKS弧长法，将线性屈曲分析的一致模态缺陷位移作为扰动引入后屈曲分析。考虑材料和几何双重非线性，对整体加筋壁板剪切试验件的后屈曲破坏过程进行模拟、对承载能力进行预测。根据剪切试验结果，进行对比分析。结果表明：有限元模拟的加筋板初始屈曲发生在蒙皮上，长桁足够大的相对刚度使得长桁与蒙皮连接线上出现屈曲节点，随着载荷增大，加筋壁板整体"坍塌"，与试验现象一致。有限元分析（FEA）得到的初始屈曲载荷与试验结果的误差为1.25%，预测的极限承载载荷与试验破坏载荷的误差为2.4%。表明引入缺陷后的MSC.NASTRAN弧长法非线性后屈曲计算能够准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力，为加筋壁板剪切试验和强度设计提供了分析方法。     

机身壁板内压载荷试验研究

内压载荷是一种非常重要的重复性载荷,对机身结构疲劳和损伤容限特性产生很大影响。承受内压载荷机身壁板边界模拟困难,边界模拟的优劣决定试验件过渡区范围的大小,甚至影响试验区的应力分布和大小。为了获得承受内压载荷机身壁板更加真实的应力响应,给出一种机身壁板内压载荷试验新方法,该方法采用"D"型夹具模拟机身筒段直边结构,采用"弓"型夹具模拟机身筒段曲边结构,采用气密端板模拟机身筒段的端部结构;按照边界模拟要求,设计制造试验装置和试验件,并完成内压载荷试验。结果表明:试验件试验区蒙皮的周向应力、纵向应力明显高于过渡区蒙皮周向应力、纵向应力;试验区蒙皮周向应力、纵向应力和法向位移与理论计算结果吻合,该试验方法满足工程精度要求;该研究可为民机机身壁板内压载荷结构选型试验提供参考。     

机身加筋壁板复合加载损伤容限性能试验

为研究机身加筋壁板裂纹扩展规律和剩余强度特性,按照机身壁板承受内压和轴拉载荷边界条件的要求,设计并制造试验装置,通过静力试验验证了试验方案的正确性和合理性。损伤容限试验结果表明:纵向裂纹沿直线扩展,左右两侧裂纹扩展对称性较好,半裂纹长度小于80mm时呈缓慢裂纹扩展特性,该裂纹可检性好,检出概率较高;纵向裂纹失稳扩展导致最终破坏,在最远的框处呈现"T"字状的裂纹扩展破坏模式。研究结果可为新型客机机身结构损伤容限分析与设计提供数据支持。     

翼身融合民机典型PRSEUS受压壁板屈曲及渐进损伤分析

由NASA和波音公司共同提出的拉挤杆缝合高效一体化结构（PRSEUS），由于具有优异的抗压稳定性和止损/止裂等承载优势，已成为解决翼身融合布局民机非圆截面机身结构承载效率低和稳定性差等问题的主要途径。本文针对典型PRSEUS受压壁板结构，开展了线性/非线性屈曲及渐进损伤分析；提出了综合考虑蒙皮、止裂带、长桁翻边、隔框翻边等一体化缝合元件贯穿支撑构型几何关系和偏置参考面的建模方法，提高了PRSEUS受压壁板有限元模型的精度；提出了综合考虑屈曲特征值、非线性屈曲载荷等多影响因素的网格收敛性分析方法，提高了PRSEUS受压壁板屈曲分析的计算效率；提出了最小屈曲特征值、几何节点偏移以及最小屈曲特征值-几何节点偏移组合式等3种初始缺陷引入方法，提高了PRSEUS受压壁板损伤分析的计算精度；完成了基于纤维与基体损伤本构关系的典型PRSEUS受压壁板非线性屈曲损伤分析，通过与试验结果对比，给出了针对PRSEUS结构的非线性屈曲渐进损伤演化分析方法。为翼身融合布局民机PRSEUS结构的稳定性/损伤分析和设计提供了方法和技术支撑。     

复合材料机身框轴向压缩屈曲分析与研究

通过试验研究了复合材料机身框承受轴向压缩载荷下的失效模式,并与工程理论计算、有限元分析进行对比。试验研究的框构型包含"C"型框和"Z"型框,试验结果显示,复合材料机身框与蒙皮结构在承受沿框方向的轴向压缩载荷时,首先蒙皮发生局部屈曲;随着载荷的增大,框腹板和内缘也发生局部屈曲,最终导致整个框截面的破坏。对蒙皮局部屈曲采用两加载边简支、两侧边固支的层压平板屈曲工程分析方法,分析结果表明,工程理论计算与试验数据吻合良好,并且理论值具有保守性。对于框腹板及框内缘这类薄壁结构,其边界支持作用弱于简支,导致工程理论计算结果不保守。为了获得框腹板与框内缘更准确的局部屈曲结果,必须采用几何非线性有限元建模分析。     

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.      

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.     

机身与起落架连接接头疲劳强度分析方法研究

为了对机身与起落架连接接头进行疲劳强度分析,在建立其细节有限元模型时,采用在接头筋条边缘和开口边缘引入"虚元",进行多工况细节应力分析的方法,提取"虚元"应力,进行组谱分析及雨流计数处理,进而确定接头不同部位地-空-地最大应力及其对应的载荷状态,给出一种接头危险载荷状态以及危险部位应力谱的确定方法;在此基础上,使用DFR法进行疲劳分析;采用Nasgro方程对疲劳最薄弱部位进行损伤容限分析,给出检查间隔。文中针对主接头结构形成的一套分析流程可以推广到其他复杂接头疲劳强度评估中。     

复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计研究

在先进的复合材料飞机结构上大量采用复合材料加筋板这种结构形式。因此,本文着重研究了复合材料变厚度加筋板后屈曲、冲击损伤与冲击损伤对承载能力的影响,以及复合材料变厚度加筋板冲击损伤、后屈曲、耐久性/损伤容限设计一体化综合试验方法。最后,作者根据多年从事飞机型号结构设计经验,并结合本文的研究结果,总结出15项复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计技术,以期对我国预研新机的复合材料飞机结构设计,对已研飞机的复合材料飞机结构改进、评定有所启示。     

金属加筋壁板蒙皮有效宽度分析方法

民用飞机机身、机翼的壁板、气密框以及翼梁结构为典型的壁板加筋结构,在承受压缩载荷时需考虑成由蒙皮与筋条组成的复合剖面共同承载,其通常为中长柱,工程分析时常取30倍的蒙皮厚度作为蒙皮有效宽度。取30倍的蒙皮厚度作为蒙皮有效宽度存在着一定的保守性,介绍了Von Karman迭代分析方法、有限元分析方法及常用的工程分析方法。在加筋壁板结构的轴压承载能力计算中,蒙皮有效宽度的确定是较为关键的设计因素,对飞机机身、机翼结构效率的提高和重量控制至关重要。随着加工能力的提升,虽然部分壁板结构由组合式逐渐过渡到了整体机加形式,但所述方法仍有一定的借鉴意义,对目前国内外常用的金属加筋壁板有效宽度的工程分析方法进行了研究,并结合有限元分析对工程分析方法进行了验证。     

航空碳纤维树脂基复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了复合材料加筋板轴压稳定性实验,对加筋板的屈曲及后屈曲性能、破坏模式和后屈曲失效表征进行了研究.实验结果表明加筋板在轴压下具有良好后屈曲承载潜能,破坏载荷约为屈曲载荷的2.2倍;其屈曲模式为筋条间蒙皮首先发生屈曲失稳,筋条在整个承载过程中保持直线,起到“屈曲分隔”的作用.通过对加筋板屈曲及后屈曲性能的理论分析,得出的理论屈曲载荷和理论破坏载荷与实验结果相对误差均小于8%,并确定了在后屈曲过程中蒙皮中心挠度的变化规律和轴向载荷的面内分布特征.