蜂窝夹芯挖补修理结构弯曲性能研究

从试验及有限元2个方面对复合材料蜂窝夹芯挖补修理结构的弯曲性能进行研究。通过3点弯曲试验对无损及修理件弯曲性能进行测试,试验结果表明,蜂窝夹芯结构破坏模式为典型的蜂窝剪切破坏,修理件相比于无损件弯曲强度恢复率为110%,修理后结构弯曲刚度也略高于无损件;基于试验结果建立三维有限元模型对蜂窝夹芯修理结构的弯曲性能进行研究,通过用户自定义子程序VUSDFLD编写Hashin失效准则、基于应力的Besant失效准则,实现复合材料面板及蜂窝芯子2种材料的损伤起始及演化。数值模型得到的破坏模式、破坏载荷及弯曲刚度均与试验结果吻合得较好;改变有限元模型参数,研究损伤直径及补片厚度对修理后弯曲性能影响,结果表明,随着损伤直径从30~70 mm逐渐增加,修理件强度先增加后减小,并在损伤直径为50 mm时取得最大值,此外,补片厚度为1~2.5 mm时弯曲强度恢复率高于100%;本文为复合材料蜂窝夹芯结构的修理设计提供了可靠的数值模拟方法。      

穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩性能影响

钛合金蜂窝口盖壁板在实际服役过程中可能会产生穿透性损伤，从而影响口盖壁板面内压缩性能。采用试验和有限元计算相结合的方法研究了穿透性损伤对钛合金蜂窝口盖壁板面内压缩性能的影响。结果显示：含穿透性损伤的钛合金蜂窝口盖壁板的面内压缩破坏载荷要略高于无损伤钛合金蜂窝口盖壁板，且面内压缩破坏载荷随穿透性损伤直径增大而增大；有限元模型预测的破坏模式与试验结果一致，预测的破坏载荷与试验结果的最大偏差为9.33%，两者吻合较好。研究结果可以为钛合金蜂窝口盖壁板的设计及面内压缩性能的预测提供数据支持和研究方法参考。     

辐照对蜂窝夹层结构力学性能的影响

通过对一种碳纤维复合材料面板铝蜂窝夹层结构辐照前后力学性能的试验 ,得到了辐照影响该种蜂窝夹层结构力学性能的变化规律。在试验的基础上 ,讨论分析了空间辐照对碳纤维面板铝蜂窝夹层结构力学性能的影响机理。通过试验和比对 ,从中找出了具有一定普遍性的规律 ,提出了如何提高该蜂窝夹层结构抗空间辐照的研究方向。     

基于电学成像的蜂窝夹层结构超高速撞击损伤监测

针对航天器遭受空间碎片和微流星体撞击的问题,对蜂窝夹层结构的超高速撞击损伤监测进行研究。提出将碳纳米管薄膜共固化在蜂窝夹层结构面板表面使之具有自感应能力,结合电学成像技术对超高速撞击造成的损伤进行监测和识别。采用二级轻气炮对自感应蜂窝夹层结构进行了超高速撞击,在撞击前后分别向感应层注入微小的激励电流,根据边界电压变化重建损伤引起的电导率变化图像,从而提供有关撞击和损伤的信息。试验结果表明,基于碳纳米管薄膜的感应层性能良好,重建的电导率变化图像能够较好地反映损伤个数、位置和近似尺寸,验证了所提出技术方法的有效性,为航天器结构超高速撞击监测提供了一种新的技术手段。     

T300/QY8911单向板湿热性能模拟与损伤分析

测试了不同湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,建立了湿热条件下复合材料单向板的弯曲有限元模型,模拟了湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,开发了复合材料损伤演化仿真模块,对湿热条件下T300/QY8911单向板弯曲损伤演化过程进行了仿真.结果表明:湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲模量具有较高的保持率,弯曲强度随湿热条件的变化差异较大,模量和强度的模拟结果与试验值的误差分别小于6%和2%,建立的弯曲有限元模型,能够比较准确地预测不同湿热条件下复合材料单向板的弯曲性能.     

蜂窝夹芯叠层板的低速冲击损伤分析

建立复合材料蜂窝夹芯叠层板（以下简称蜂窝板）低速冲击损伤模型,应用动态有限元分析程序估算蜂窝板低速冲击损伤的发生和扩展,该程序采用２０节点等参元和弹簧元分别模拟面板和促使闪芯,该模型建立在面板的初始损伤准则（蔡－胡强度准则）和损伤扩展准则（Ｆ．Ｋ．Ｃｈａｎｇ的冲击分层损伤判据）以及本文提出的蜂窝夹芯的简化损伤准则的基础上,并进行了低速冲击损伤实验以验证模拟计算结果,比较表明预测结果与实验数据吻合较     

三维编织复合材料圆柱销剪切试验与数值模拟

复合材料紧固件连接技术是复合材料结构加工制造的关键技术之一,针对三维编织复合材料圆柱销紧固件的剪切性能进行了试验和有限元数值模拟分析。试件采用了三维全五向编织工艺进行制备。通过双剪性能测试得到了三维编织复合材料圆柱销的极限承载能力和破坏断裂形式,采用均匀化方法对圆柱销试件的宏观弹性常数进行了预测,采用改进后的Tsai-Hill准则并引入连续介质损伤力学建立了一套三维编织复合材料强度分析方法,并根据该方法对圆柱销试件在剪切载荷作用下的渐进失效破坏过程进行了有限元分析,计算结果与试验结果具有良好的一致性,表明提出的强度分析方法在预测三维编织复合材料结构件的宏观强度性能方面是有效可行的。      

蜂窝夹层结构剥离应力分析

为了研究蜂窝夹层结构受剥离力时面板的变形和蜂窝芯中的应力,对蜂窝夹层梁进行了数学分析和实验验证.将建筑中的弹性地基上梁的理论用于蜂窝夹层结构分析,视面板为弹性地基上的梁,视蜂窝芯为弹性地基,得出了蜂窝夹层结构受剥离力时的面板变形和夹芯中的应力分布的计算公式.通过分析和实验指出,将建筑中的弹性地基上梁的理论用于蜂窝夹层结构分析,具有计算量小、精确度较高和公式直观等优点.      

蜂窝夹层板超高速撞击极限方程分析

为分析撞击极限方程对蜂窝夹层结构的穿透特性的预测能力,调研得到了3类撞击极限方程的表达形式和等效方法,以及131个采用碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板结构的试验数据,并对撞击极限方程的预测能力进行了比较计算。结果发现,MET方程对他源数据的四种(未失效、失效、总体以及安全)预测率均大于80%,进行在轨航天器结构的失效分析时可优先选用;SRL方程对本源数据的安全预测率达到了100%,在他源数据上的安全预测率也很高,适用于航天器防护结构设计。探讨了撞击极限方程中的系数、速度分界值的优化思路,以提高撞击极限方程的预测率。     

基于XFEM-CZM耦合法的胶接接头裂纹扩展分析及强度预测

采用扩展有限元法（XFEM）和内聚力模型（CZM）相耦合的方法，分析胶接接头胶层内部裂纹扩展、界面脱粘分层现象。采用内聚力单元和内聚力接触描述胶层/板材界面，建立单/双搭接接头有限元模型。预测拉伸载荷下接头的强度性能并与已有试验数据对比分析，验证XFEM-CZM耦合法的可行性及内聚力单元和内聚力接触2种界面建模方法的有效性。模拟裂纹从胶层内部扩展至胶层/板材界面并引起界面脱粘分层的过程，分析其损伤失效机理。讨论初始裂纹长度和界面刚度、强度及应变能释放率对胶接接头强度性能的影响。结果表明:胶接接头强度随初始裂纹长度增加而降低，且在双搭接接头模型中表现更为明显；界面刚度、强度对胶接接头强度影响较大而应变能释放率的影响较小。      

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击后压缩强度估算

基于低速冲击后复合材料蜂窝夹芯板压缩破坏机理的实验研究,用当量分层来模拟Nomex蜂窝夹芯板的低速冲击损伤,假设当量分层区子层板的边界为固支,并且认为子层板失稳时夹芯板所承受的载荷为压缩破坏载荷.将计算结果与实验结果进行比较,表明了对面板无明显断裂的低速冲击损伤情况,用损伤当量法计算蜂窝夹芯板的剩余压缩强度是可行的.     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击后的压缩

对含低速冲击损伤的Nomex蜂窝夹芯板试件进行了压缩实验,用X光技术、热揭层技术和外观检测等对压缩破坏损伤发展的过程进行了研究,分析了压缩破坏机理,结果表明:剩余压缩强度随冲击能量的增加而减少;夹芯板的压缩破坏主要由前面板控制,前面板发生局部屈曲的载荷与板的压缩破坏载荷几乎相等;表面玻璃布不仅能减少冲击损伤,而且能使板内的损伤显露在表面,容易让人发现.     

蜂窝夹芯板超高速碰撞仿真

蜂窝夹芯板是一种多用于航天器的特殊结构,采用光滑粒子流体动力学算法(SP H)对蜂窝夹芯板进行超高速碰撞研究时主要存在2个问题:蜂窝芯的几何建模过程复杂;蜂 窝芯层非常薄,为保证仿真精度采用相等的粒子间距必然生成超过计算容忍的粒子数量.结 合参数化程序设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)进行结构建模,编制了APDL生成蜂 窝芯的程序,采用UIDL将该程序集成到ANSYS交互式界面中,能够方便快捷的生成任意尺度 的正六边形蜂窝芯.针对此方法得到的模型,采用SPH单元与壳单元相结合的方法,其中蜂 窝芯采用壳单元,入射体、蜂窝夹芯板的前、后面板采用SPH单元,对蜂窝夹芯板进行了超 高速碰撞仿真研究.仿真结果与相关试验进行了对比,仿真得到的后板破口尺寸与试验比较 接近,证实了该方法适用于蜂窝夹芯板的超高速仿真.      

钛合金蜂窝结构蒙皮脱焊缺陷锁相红外热成像检测

蒙皮脱焊是钛合金蜂窝结构制造和服役过程中最常见的缺陷类型。受钛合金材料热导率低的影响,钛合金蜂窝结构中蒙皮越厚,红外热成像检测时其表面反映脱焊缺陷信息的温度差异信号就越弱,检测难度就越大。针对这一问题,研究了不同蒙皮厚度钛合金蜂窝结构锁相红外热成像检测时调制频率的选取范围。建立了钛合金蜂窝结构锁相红外热成像检测有限元模型,分析了蒙皮表面温度在调制热流作用下的变化历程,基于相关算法提取了蒙皮表面对应缺陷区和非缺陷区的相位差,分析了相位差与调制频率、蒙皮厚度的关系。利用锁相红外热成像检测系统对预制脱焊缺陷的蜂窝试件进行了实验研究,获得了缺陷区与非缺陷区信号相位差与调制频率的关系。研究结果表明,针对蒙皮厚度为0.6~2.0 mm的钛合金蜂窝结构,采用0.04~0.10 Hz的调制频率能够获得最佳检测结果。研究结果为钛合金蜂窝结构实际检测提供了工艺指导。      

基于Patran/Nastran的结构优化系统的工程应用

采用基于有限元软件Patran/Nastran二次开发的结构优化系统,对两个卫星结构进行了以重量为目标、考虑基频和应力等约束的优化设计.系统由用户在Patran环境下完成问题建模,优化过程中调用Nastran作结构分析并结合二级多点逼近算法寻优.设计对象是由蜂窝夹层板、不同截面形状梁、板壳等组成的典型复杂航天器结构,设计过程中还利用人机交互技术,最终使重量明显降低,为工程部门改进设计提供了依据.算例结果之一与其他结构优化系统结果一致,进一步说明了所开发系统的正确性.     

A ballistic limit equation for hypervelocity impacts on composite honeycomb sandwich panel satellite structures

During a recent experimental test campaign performed in the framework of ESA Contract 16721, the ballistic performance of multiple satellite-representative Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP)/Aluminium honeycomb sandwich panel structural configurations (GOCE, Radarsat-2, Herschel/Planck, BeppoSax) was investigated using the two-stage light-gas guns at EMI. The experimental results were used to develop and validate a new empirical Ballistic Limit Equation (BLE), which was derived from an existing Whipple-shield BLE. This new BLE provided a good level of accuracy in predicting the ballistic performance of stand-alone sandwich panel structures. Additionally, the equation is capable of predicting the ballistic limit of a thin Al plate located at a standoff behind the sandwich panel structure. This thin plate is the representative of internal satellite systems, e.g. an Al electronic box cover, a wall of a metallic vessel, etc. Good agreement was achieved with both the experimental test campaign results and additional test data from the literature for the vast majority of set-ups investigated. For some experiments, the ballistic limit was conservatively predicted, a result attributed to shortcomings in correctly accounting for the presence of high surface density multi-layer insulation on the outer facesheet. Four existing BLEs commonly applied for application with stand-alone sandwich panels were reviewed using the new impact test data. It was found that a number of these common approaches provided non-conservative predictions for sandwich panels with CFRP facesheets.