加筋板破坏载荷计算中的蒙皮有效宽度计算方法适应性验证

飞机机身和机翼结构多采用中长加筋板,中长加筋板在轴压载荷作用下的破坏载荷一直是工程中研究的热点;目前中长加筋板破坏载荷计算多采用Johnson-Euler方程,涉及到蒙皮有效宽度计算。对国内外常用的有效宽度计算方法进行分析,说明其产生的根源,并通过机身加筋板试验结果对其适应性进行验证。结果表明：对于薄蒙皮铆接Z型机身加筋板破坏载荷计算,本文介绍的有效宽度计算方法都能使计算误差控制在 10%,可为飞机设计人员对轴压加筋板设计提供帮助。     

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.     

T800碳纤维增强复合材料加筋壁板压缩稳定性试验及工程计算方法验证

国内对T800碳纤维复合材料结构的研究刚刚起步,需要对其加筋壁板的稳定性进行系统地研究.通过改变蒙皮厚度、筋条间距、筋条几何参数等设计8种构型的试验件,进行压缩稳定性试验;考虑侧边边界条件及蒙皮有效宽度的影响,对两种常用的压缩屈曲载荷工程计算方法进行验证.结果表明:在相同筋条面积下,筋条惯性矩提高屈曲载荷增大,加筋壁板的破坏载荷主要取决于壁板的横截面积;蒙皮厚度和筋条间距对屈曲载荷的影响大于对破坏载荷的影响;对于薄蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D-b2/2时,计算值与试验值最为接近;对于厚蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D时,计算值与试验值最为接近.     

一种基于有效宽度法的加筋壁板后屈曲分析方法

基于有限元与工程法相结合的思路，利用轴向压缩载荷作用下蒙皮屈曲有效宽度的刚度缩减方法，实现了采用线性迭代求解方法来解决加筋壁板的后屈曲问题。与传统结构有限元后屈曲分析方法相比，此方法直观易懂，耗费时间较少，易于工程人员掌握。算例表明：相较于对结构直接进行线性和非线性有限元分析，采用本文方法的破坏载荷预估值与试验结果更加接近。     

典型飞机壁板结构的抗屈曲优化设计与试验验证

加筋壁板是飞机机身和机翼中常见的典型承力结构,其在轴压和机身弯矩载荷作用下极易发生屈曲失效,严重制约飞行器安全性能与服役周期。飞机结构静强度校核时多采用经验公式进行工程计算,其中加筋壁板结构承载能力的工程计算与机身框结构端部支持系数的选取密切相关。现有飞机型号研制中端部支持系数的选取通常较为保守,结构安全裕度大、质量冗余,阻碍了飞行器轻量化水平的进一步提升。为此,首先基于欧拉长柱失稳理论,建立了基于切缝法的典型飞机壁板结构端部支持系数仿真计算模型;同时深入分析了端部支持系数与加筋壁板结构和支撑框段的耦合作用关系;进一步地,分析了框、长桁等结构特征参数对端部支持系数的影响规律,并分别开展了框、长桁-蒙皮以及框-长桁-蒙皮协同优化的飞机壁板结构抗屈曲设计;最后,基于增材制造缩比样件和轴压屈曲试验,验证了典型壁板结构抗屈曲优化设计方法的有效性。所建立的仿真分析模型和优化设计方法实现了飞机壁板结构抗屈曲性能的有效提升,对进一步提升飞机性能指标具有重要意义。     

整体壁板损伤容限特性与修理技术研究

用有限元和断裂力学方法分析大型飞机机身整体壁板的破损安全特性。以一个十四桁条的铝合金整体加筋板为例,计算了裂纹从中部蒙皮向两侧均匀扩展并跨过筋条的应力强度因子,并和相同构型的铆接壁板进行了结构对比。应用ANSYS对整体壁板及损伤后双面修补壁板进行有限元分析。研究不同厚度补片对损伤壁板、修补长桁、内外补片受力的影响。选取典型位置研究局部刚度加大对整体壁板传力特性的影响。     

复合材料机身壁板的强度分析与试验验证

复合材料在大型客机机身主承力结构应用是近年来的发展趋势，通过分析与大型壁板试验结合的方式研究了复合材料机身壁板的静力承载能力，以及疲劳与损伤容限特性。采用理论公式、半经验公式、有限元模态分析研究了蒙皮的屈曲载荷、壁板的承载能力。依靠创新的机身壁板多轴载荷试验系统，模拟机身壁板的实际受载情况，实现充压载荷、拉伸/压缩、剪切载荷的独立施加与组合施加。通过静力试验验证蒙皮屈曲的工程及有限元分析方法和壁板的剩余强度承载分析方法。引入预埋缺陷、BVID、VID冲击损伤，通过试验研究了损伤对应变分布的影响，并通过疲劳、损伤容限试验，验证了壁板的设计以及损伤的无扩展特性。     

整体加筋壁板剪切试验件的分析与设计

采用有限元方法,对整体加筋壁板5种典型缺口区细节试验件进行了应力分析及屈曲载荷计算,给出了加筋壁板试验件较优结构形式.并对连接区厚度和宽度进行参数化影响分析,得到了剪应力及临界屈曲载荷变化曲线.依据计算结果设计出连接区变宽度变厚度试验件.设计思路和分析方法可为整体加筋壁板剪切试验件的设计提供参考.     

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。     

气囊硬度对固化后帽型长桁厚度的影响

为满足宽体客机机身轻质高强的要求，机身复合材料蒙皮需要长桁的支撑以提高复合材料壁板的刚度。为获得厚度均匀性良好的帽型长桁加筋壁板，对帽型长桁加筋壁板成型工艺中真空袋囊芯模的方法进行了改进，提出了一种硅橡胶囊芯模与真空袋囊芯模相结合的方法，获得了厚度均匀性良好的帽型长桁壁板，满足机身复合材料帽型长桁-蒙皮共固化成型时尺寸精度的要求。利用有限元仿真方法，研究了硅橡胶囊芯模截面尺寸、硅橡胶材料属性对长桁厚度均匀性的影响，结果发现所用硅橡胶囊芯模硬度越大，长桁尺寸均匀性越差。不同条件下所得长桁厚度对理论分析的准确性进行了验证。考虑硅橡胶硬度对长桁尺寸均匀性及工艺操作性的影响，最终选定所用硅橡胶气囊硬度为50HA，所得蒙皮-长桁实际测量的平均厚度与理论厚度偏差小于6%，细观分析发现蒙皮-长桁连接处纤维走向没有发生变形。     

初始几何缺陷对加筋结构后屈曲分析的影响

采用考虑几何和材料双重非线性的弧长法分析了受初始几何缺陷影响的加筋壁板在轴压载荷作用下的后屈曲破坏过程.在分析中探讨了初始几何缺陷的大小及形态对加筋壁板极限承载能力和破坏模式的影响.计算结果表明,当初始缺陷的最大位移值超过蒙皮厚度的0.1倍时,将影响结构的承载性能.小于蒙皮厚度的0.1倍时,初始缺陷的形态和大小对结构的承载能力不产生明显影响,但影响结构的最终破坏模式.在后屈曲分析中可以以线性屈曲特征值法计算得到的一阶屈曲模态为初始缺陷的模式,初始缺陷最大位移值取蒙皮0.005~0.1倍之间.     

无针搅拌摩擦点焊技术研究现状分析

无针搅拌摩擦焊可以在一定厚度范围内实现铝合金薄壁结构的可靠连接,从而在铝合金汽车带筋壁板结构的连接和装配中具有应用前景,同时可以扩展到飞机机身带筋蒙皮、隔离框板结构、机翼以及运载火箭的整流罩等壁板结构。现有的研究成果主要以工艺试     

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。     

基于MSC.Nastran的直机翼结构优化设计

利用有限元方法,对直机翼以重量最轻为目标,以强度和位移作为约束,以机翼蒙皮厚度、腹板厚度、缘条尺寸作为设计变量,进行了优化设计,并且分析了复合材料蒙皮替代金属材料蒙皮结构的结果。对比两种不同材料的有限元分析结果,发现复合材料层压板结构可以替代金属材料,而且减重效果明显。对机翼蒙皮进行分区优化,对复合材料铺层厚度进行优化设计,最后得到合理的优化结果。     

整体加筋壁板的破损安全特性与断裂控制分析

用有限元和断裂力学方法分析大型整体机翼下壁板的破损安全特性。对一个九桁条铝合金整体加筋板,裂纹从断裂筋条下向两侧均匀扩展的开裂形式,进行了应力强度因子和剩余强度计算,并和另一个具有相同构形的铆接加筋板的结果进行对比。当裂纹长度在两倍桁条间距以内时两种加筋板的剩余强度水平相当。但是当整体壁板中的裂纹穿过外侧相邻桁条时,整体桁条的止裂能力逐渐减弱。研究对整体壁板蒙皮胶接止裂条的断裂控制措施及有限元建模分析方法,描述止裂条胶层局部脱粘的处理方法和迭代过程。止裂条材料分别选用了钛合金和单向层压复合材料。计算结果说明胶接止裂措施能显著提高整体加筋板的破损安全性能。     

基于Patran/Nastran 和Hypersizer的复合材料后机身加筋结构形式选择分析

针对复合材料后机身加筋壁板构型选择问题,采用有限元前后置处理软件Patran建立有限元模型,使用有限元分析软件Nastran进行初步分析,利用复合材料结构分析与优化软件Hypersizer进行结构形式的优化计算分析,优选出后机身壁板最佳结构形式。通过计算分析,得出有意义的工程经验。     

多梁式中央翼盒下壁板压缩稳定性研究

研究多梁式翼盒加筋壁板在压缩载荷作用下的稳定性。针对端部支持、侧边支持、本身曲率以及上述因素的综合作用对加筋壁板压缩失稳临界应力的影响进行分析，对目前文献资料中关于加筋壁板压缩稳定性临界应力计算公式中端部支持系数进行适当修正，以得到适合的壁板屈曲应力。研究发现，端部夹持、侧边梁支持和蒙皮自身曲率对加筋壁板的压缩稳定性有较大影响，对于蒙皮较厚的加筋曲板（如机翼壁板），建议的等效端部支持系数为1.5~2.0     

大型飞机整体壁板损伤断裂分析方法

通过对大型飞机整体壁板结构的损伤断裂特性分析,在壳体断裂力学统一计算理论框架下,将扩展有限元应用于大型飞机整体加筋壁板结构损伤断裂计算;实现了大尺寸加筋板壳结构断裂参数的精确求解;通过采用基于应力强度因子和能量释放率的三维壳体断裂准则,建立了以结构重量、裂纹扩展长度和壳体剩余寿命等多参数设计目标的大型飞机整体壁板损伤断裂分析方法,以及综合考虑壁板厚度、加筋截面面积和间距的参数优化方法,并给出了工程试验件的设计与验证结果。     

增压载荷下机身蒙皮细节应力分布计算方法研究

为了获取增压载荷作用下机身蒙皮疲劳分析部位较为精确的应力分布,结合某机型机身等直段结构,采用NASTRAN有限元分析软件,在总体有限元模型基础上,对局部区域进行网格细化,建立了细节有限元模型,给出了窗周区域载荷施加的简化处理方法,获得了机身典型壁板区域以及窗周区域蒙皮应力分布规律,并将典型壁板区域某截面细节有限元模型分析结果与试验测试结果进行了比较,结果表明,两者数据吻合较好。最后,提出一种用于疲劳强度分析的蒙皮细节应力分布获取方法,采用该方法能够类比获取同一机型同类结构蒙皮细节应力分布。