全复合材料主承力梁结构研制与分析验证

根据结构特点和受力特性,研制了一种全复合材料主承力梁结构。给出了主梁的铺层设计,详述了其成形工艺。基于MSC.Patran/Nastran建立了主梁有限元分析模型,采用线性求解器对多级载荷作用下的主梁进行了静强度分析,给出了结构应变与位移结果。同时设计了强度试验方案,对主梁结构进行了静强度试验验证,采集了应变与位移信息,确定了结构的响应。结果表明,全复合材料主承力梁结构满足强度设计要求,为复合材料应用于主承力结构提供了依据。     

碳-碳复合材料高温力学性能测试

碳-碳复合材料高温力学性能测试温度高,材料应变量小。采用通电加热、非接触应变测置较能适应其测试特点。本文介绍了采用这种方法进行拉伸试验的情况,并提供了2000℃范围内的拉伸应力-应变曲线,给出了抗拉强度、断裂应变数据以及弹性模量的参考值。     

复合材料C型柱轴压失效分析的层合壳建模方法

由于易于设计、制造以及承载效率高，C型柱作为一种典型的垂向支撑结构，大量应用于大型运输类飞机货舱地板下部。以复合材料C型柱结构为对象，并结合复合材料C型柱轴向压缩试验，旨在发展其在轴向压缩载荷下失效分析的有限元方法。首先，对材料模型的应力-应变曲线进行参数化研究，明确Lavadèze材料单层模型、Puck IFF基体失效准则和Yamada Sun纤维失效准则中参数的物理意义并给出取值建议。其次，建立"层合壳"模型，模拟轴向压缩载荷下破坏失效的力学行为，并与试验结果进行对比分析。研究结果表明，该建模方法能够较好地模拟渐进压缩破坏过程，平均压缩载荷、比吸能的预测值与试验结果具有较好的一致性。     

含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

金属基复合材料热膨胀特性研究

采用应变片连续记录法对金属基复合材料在冷热交变下的热膨胀特性进行了试验研究。试验结果表明，金属基复合材料在热循环时显示了非线性的热膨胀曲线，产生滞后环和残余应变，其量级与金属基复合材料的种类，基体的初始应力状态及热幅度有关，本文对滞后环、残余应变产生的原因及金属基复合材料的尺寸稳定性等进行了研究。     

纤维增强金属基复合材料细观几何结构对宏观弹性性能的影响

基于复合材料宏、细观场量之间的联系，建立了一种纤维增强复合材料宏—细观力学模型。该模型建立起了宏观与细观应力、应变场量之间的联系，获得了宏观应力—应变关系，试验及理论计算表明，该模型能够较好地预测复合材料宏观弹性性能。利用该模型研究了纤维截面形状和排列方式对金属基复合材料宏观弹性性能的影响。     

层合陶瓷基复合材料多尺度应力-应变计算模型

对层合陶瓷基复合材料(CMCs)的应力-应变行为进行了研究。基于多尺度分析方法，实现了由组分性能参数到层合陶瓷基复合材料整体应力-应变的计算。采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力-应变计算的细观力学模型，由材料的细观组分性能计算出单向板的非线性弹性性能，并将单向板的弹性性能作为层合复合材料模型的输入参数，通过有限元法计算层合陶瓷基复合材料的整体应力-应变响应。与试验数据的对比表明:采用该模型可以实现层合陶瓷基复合材料在单调拉伸载荷及拉伸加卸载条件下应力-应变曲线的预测，其中数据的最大偏离为19.61%.      

考虑基体开裂的陶瓷基复合材料应力-应变曲线模拟方法及验证

提出了蒙特卡罗方法模拟陶瓷基复合材料基体随机开裂过程,采用剪滞模型描述了复合材料出现损伤时细观应力场,并推导得到了考虑基体开裂时复合材料拉伸应力-应变曲线计算公式.开展了室温环境下C/SiC复合材料的单轴拉伸试验,并将理论预测应力-应变曲线与试验结果进行对比.同时,采用该方法对SiC/CAS,SiC/Si₃N₄复合材料应力-应变曲线进行了模拟,并与国外提供的相关试验数据进行比较,发现两者吻合得较好,从而证实了蒙特卡罗法可有效地模拟考虑基体随机开裂过程的陶瓷基复合材料应力-应变曲线.此外,还分析了Weibull模量、残余热应力和初始开裂应力对应力-应变曲线的影响.研究表明:Weibull模量越大,应力-应变曲线非线性越明显;热残余应力越大,应力-应变曲线偏转越早,非线性越明显;初始开裂应力与Weibull模量对应力-应变曲线影响规律相似.      

用DPS模型预测缝合复合材料弹性常数

提出了模拟缝合复合材料单层的DPS模型，并采用材料力学方法对该模型进行了细观分析，给出了缝合复合材料面内弹性常数的预测方法。同时，利用本文得到的方法对1300／QY8911缝合复合材料弹性常数进行了预测。通过与试验结果的对比分析证明，该预测方法具有非常高的准确性。     

带箍环掠型叶片整体叶盘强度分析方法研究

针对带复合材料箍环掠型叶片整体叶盘结构，开发了对叶片快速施加气动载荷的方法，发现了整体叶盘的应力应变分析和寿命预测方法，成功地完成了模型叶盘的应变测量和低循环疲劳试验。通过模型叶盘数值分析与试验测量数据的比较可见，二吻合较好，从而验证了上述方法的有效性。     

三维编织复合材料内部应变场有限元计算与原位测量

三维编织复合材料被大量用于航空结构设计,在航空服役过程中需承受各种复杂载荷。测量三维编织复合材料内部原位应变,将其应用于建立材料失效预警系统和结构强度设计。在三维编织复合材料内部埋植光纤Bragg光栅传感器和在材料表面粘贴应变片,同时测量结构内部和表面原位应变。构建均质模型和细观结构模型,采用有限元方法分析内部原位应变场分布,有限元分析结果和试验测量结果吻合性较好。发现在准静态单轴拉伸载荷作用下,三维编织复合材料不同位置原位应变值产生变化。三维编织复合材料轴向正中间截面应变分布较为均匀;内单胞处原位应变略大于面单胞处原位应变(最大差值约0.08%);外表面原位应变大于面单胞处原位应变(最大差值约0.1%)。在三维编织复合材料航空结构设计中,需要充分考虑并合理使用三维编织复合材料不同位置的应变值,使材料设计和利用效率最大化。     

不同试验标准对复合材料压缩强度的影响

为了研究应力与应变的关系问题,采用ASTMD3410对一系列复合材料进行压缩试验.研究结果表明对于低性能复合材料,应力应变呈线性关系,而对于高性能复合材料,应力应变不再呈线性关系,出现了失稳破坏,降低了压缩强度值.针对USN46200的压缩试验出现失稳破坏,分别采取增加厚度和改变试验标准进行试验,结果表明增加试验件厚度不能解决此问题,改变试验标准有效地解决了该问题.对于高性能的复合材料压缩试验建议采用ASTM D6641试验方法.     

典型盒段结构静强度试验与分析的相关性研究

基于一模拟直机翼的悬臂盒段梁翼尖处加载的试验，考虑大变形对试验精度的影响，建立了相应的计算模型，并利用abaqus软件进行了数值计算。对试验结果进行了分析，并给出了盒段各部位的应变、挠度试验值以及计算值随载荷的变化曲线，进行了试验和分析的相关性研究。对试件考虑几何非线性响应的影响和加载方向的影响进行了详细的讨论。     

碳纤维复合材料元件静态力学测试技术及实证研究

为了验证高温、中温1和中温2碳纤维复合材料与国外碳纤维复合材料技术指标的差别,最大限度地规避国产复合材料在结构设计和使用过程中的风险,需要从宏观力学的角度,通过进行不同铺层方式的高温、中温1和中温2复合材料元件静态力学试验,对强度和应变测试数据进行比对分析,并在测试方法上有所突破。本文主要通过复合材料元件开孔拉伸试验进行分析,提出了采用引伸计来同步测量开孔拉伸强度对应应变响应的试验方法,在碳纤维复合材料元件静态力学检测中取得了良好的应用效果。     

碳/碳复合材料超高温力学性能测试研究

超高温力学性能测试系统采用通电的方法对试样进行加热，并利用自行研制的引伸仪解决了变形测量问题。采用此系统对碳／碳复合材料进行超高温测试，获得了3000℃范围内材料拉伸和压缩性能随温度的变化关系，并给出了相应的应力－应变曲线。     

复合材料曲板缺陷及安装误差对屈曲性能的影响

复合材料曲板的屈曲行为对缺陷十分敏感,研究数值模拟及试验中缺陷对屈曲性能的影响对复合材料曲板的工程应用具有重要意义。应用数值模拟方法研究了常见典型缺陷及缺陷所引起的安装误差对复合材料曲板屈曲性能的影响。建立了理想曲板模型和考虑安装误差的含缺陷曲板模型,缺陷类型包括复合材料曲板在制造过程中易产生的缺陷,如倾斜、厚度不均、翘曲。计算了模型在轴压载荷下的屈曲载荷及应变分布情况,并将含缺陷模型计算结果与理想模型进行比较。研究表明：倾斜对受载曲板的应变分布改变较大,会使试验件屈曲载荷大幅下降;翘曲对受载曲板的应变分布影响不大但会使试验件屈曲载荷大幅下降;厚度不均的缺陷对曲板屈曲性能影响较小。与含典型缺陷的曲板轴压试验结果对比,试验结果与理论研究结果一致。     

复合材料层压板开孔拉伸力学性能探究

针对碳纤维复合材料层压板力学性能进行理论计算分析,并结合对某型号飞机上的复合材料层压板进行开孔拉伸试验。在层压板试验件上粘贴应变片,记录载荷应变—应力曲线,分析层压板的破坏过程,且通过比较不同的铺层,分析铺层角对层压板力学性能的影响,结合试验后试件照片,分析开孔拉伸试件的破坏模式和失效行为。最后,通过有限元分析软件对层压板进行仿真分析,仿真结果与试验吻合度很高。     

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。     

复合材料层板固化全过程残余应变/应力的数值模拟

采用商业软件对带有铝板的复合材料层板固化全过程残余应变/应力进行数值模拟计算。在固化过程的模拟中,应用有限元法计算复合材料层板热-化学模型,有限差分法计算固化动力学模型,通过设置较小的时间步实现求解两个模型强耦合的关系。在残余应力数值模拟中,化学收缩引起的应变在每一计算步以初始应变施加在复合材料结构上。基于以上技术,对带有铝合金的复合材料层板固化全过程残余应变/应力演化进行数值模拟,并分析纤维方向和垂直纤维方向复合材料的残余应变/应力演化历程。通过与试验中层板曲率的比较,验证文中模型计算的准确性。     

循环应力一应变特性的统计分析

鉴于试验数据分散性，用随机过程的方法对循环应力－应变特性进行了理论分析，并给出了统计测定的方法，试验结果得到了呈分布状的循环应力－应变曲线族，证实了理论分析的正确性。