Successes and challenges in non-destructive testing of aircraft composite structures

Composite materials are increasingly used in the aerospace industry. To fully realise the weight saving potential along with superior mechanical properties that composites offer in safety critical applications, reliable Non-Destructive Testing (NDT) methods are required to prevent catastrophic failures. This paper will review the state of the art in the field and point to highlight the success and challenges that different NDT methods are faced to evaluate the integrity of critical aerospace composites. The focus will be on advanced certificated NDT methods for damage detection and characterization in composite laminates for use in the aircraft primary and secondary structures.     

基于逆向有限元法的变形机翼鱼骨的变形重构

变形监测技术能够为自适应变形机翼的变形控制系统提供参考信息，是保证结构安全性以及优化结构的运行性能的重要手段。传统的基于光学成像的变形测量方法已经不能满足自适应智能结构的实时变形监测的要求。由于变形机翼表面受气动载荷影响，不便于直接在变形机翼蒙皮表面布置应变传感系统，目前还没有针对鱼骨结构这种真实复杂机翼结构的变形重构研究，大多针对机翼翼型的变形重构研究是将整个机翼简化成简单的翼形板、梁结构。针对上述问题，本文首次以真实复杂变形机翼主承力结构——鱼骨为研究对象，提出了一种基于逆向有限元（iFEM）算法与位移分段叠加思想结合的变形监测方法，根据Mindlin板变形理论建立四节点逆向壳单元，采用应变传感系统测得鱼骨结构表面应变分布作为算法输入，然后基于最小二乘变分方程求解结构应变场和位移场之间的传递函数，重构鱼骨结构的变形形状，为反演机翼翼型的变形形状提供方法。针对真实自适应变形机翼的主要承力构件开展了变形实验，实验结果表明，机翼鱼骨在分别偏转5°、10°、15°的情况下，逆向有限元法能准确重构鱼骨变形形状，验证了基于逆向有限元法的变形重构方法在真实自适应变形机翼结构变形重构研究中的有效性和准确性。     

基于加速动态拉格朗日法的摩擦片阻尼分析

提出了一种可用于增强薄壁结构阻尼的波纹形片状干摩擦阻尼器，并利用一种改进的非线性动力学计算方法对其稳态响应特性进行了分析。首先通过两重减缩使非线性系统自由度变成接触节点间相对位移的形式从而降低矩阵规模，在高阶谐波平衡法的基础上引入了速度型动态拉格朗日法，并通过提供解析形式的雅克比矩阵来提高计算效率与数值稳定性，从而构成了用于预测非线性系统强迫响应的算法。在一个集中参数模型上用切向/法向刚度法与时域推进法这两种主流非线性计算方法对本文算法的合理性进行了验证。利用该算法对带有波纹形阻尼器的薄壁板结构进行分析，结果表明，摩擦片对薄壁板有很好的振动抑制作用，在质量仅占主体结构0.6%的情况下，能够使共振峰值下降75.4%。该算法表现出较高的计算效率，减缩模型使用和解析雅克比矩阵的引入使CPU时间减小到原来的0.5%以下。     

Stiffeners layout design of thin-walled structures with constraints on multi-fastener joint loads

The purpose of this paper is to present an extended topology optimization method for the stiffeners layout design of aircraft assembled structures.Multi-fastener joint loads and manufacturing constraints are considered simultaneously.On one hand,the joint loads are calculated and constrained within a limited value to avoid the failure of fasteners.On the other hand,the manufacturing constraints of the material distribution in the machining directions of stiffeners are implemented by an improved piecewise interpolation based on a beveled cut-surface.It is proven that the objective function is strictly continuous and differentiable with respect to the piecewise interpolation.The effects of the extended method with two different constraints are highlighted by typical numerical examples.Compared with the standard topology optimization,the final designs have clearly shown the layout of stiffeners and the joint loads have been perfectly constrained to a satisfying level.     

基于单叶双曲面的标准Stewart并联结构六维力传感器各向同性优化设计

基于Stewart并联结构六维力/力矩传感器在空间六维力的准确检测上具有广泛前景,设计低耦合、高精度、易于标定和使用的六维力/力矩传感器是其结构设计的关键问题.传统Stewart并联结构几何参数描述为6个相互耦合的变量,不利于实现设计参数与设计指标的解耦,而且非正交条件下的各向同性使得六维力/力矩传感器仍存在耦合,为此...     

氢气泡法图像的数字化处理分析

对氢气泡法产生的时间线进行数字化,把图像的灰度分布存入数组进行运算,识别氢气泡时间线的前缘和后缘。根据距氢气泡发生线最近的两条时间线的前缘或后缘间距以及氢气泡时间线的时间间隔,计算流速分布。本文还提出一种测量湍流结构的速度的方法,简称结构相关法:对两幅一定时间间隔的氢气泡图像进行数字化得到灰度数组,圈定拟序结构的一部分,利用相关原理比较两图像的数组,得到所圈定拟序结构的位移,进而求得其运动速度。     

风车载荷情况下民用飞机结构强度评定方法

按照适航要求,需要对风车载荷下民用喷气运输飞机结构强度进行评定。首先从静强度、疲劳强度、损伤容限的角度,介绍风车载荷下飞机结构强度的评定方法。以已经获得适航认可的分析方法为基础,根据各方法的特点,结合风车载荷情况的特点,进行合理改进,形成适用于风车载荷下飞机结构强度的评定方法。其次从基本剖面形式、修正参数、结构动力学建模方法、评定部位的筛选标准、评定结果的判据等方面进行介绍,并展示该评定方法的优点。最后简要说明其在型号上的应用情况及适航审查要求及结果,并提出该评定方法的改进建议。     

综合考虑载荷谱和结构特性分散的概率断裂力学方法

在飞机结构的设计定型阶段,要综合考虑载荷谱和结构特性的分散评估机群的可靠寿命。为此,进行了某型飞机结构细节的TA15M钛合金模拟试件在3个单机谱下的耐久性试验,断口判读得到主裂纹扩展(a,t)数据,反推得到了当量初始缺陷尺寸(EIFS)。对比分析表明,载荷谱分散对EIFS分布参数无影响,估计得到了通用EIFS分布参数。建立了考虑载荷谱分散的裂纹扩展对数正态随机变量模型及参数估计方法,由此确定裂纹超越概率并进行损伤度评估,建立了综合考虑载荷谱和结构特性分散的概率断裂力学方法(PFMA)。     

不可压壁湍流中基本相干结构

条带和流向涡作为壁湍流中的两类基本相干结构,对于理解壁湍流的生成演化具有重要意义。本文首先回顾了充分发展不可压壁湍流中,这两类基本相干结构从近壁区到远壁区、从低雷诺数到高雷诺数的发现、发展历程,并着重点论述其自相似和自维持的两个核心特征。然后,进一步讨论基于湍流自维持过程发现的一系列精确相干态,从N-S方程不变解的角度精确地描述了条带和流向涡构成的自维持单元。精确相干态同时具有自维持和自相似特征,且维度更低,构成了充分发展壁湍流的骨架,为采用动力系统理论研究壁湍流奠定了基础。近些年,精确相干态在解释亚临界转捩方面也获得了较大成功,为转捩的研究提供了新的视角,有望从动力系统角度关联湍流与转捩两个经典问题。     

剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构设计与性能分析

空间可展开天线的展开平稳性是天线顺利展开的关键。天线的收展比是运载火箭空间配置的重要参考因素。为减小天线展开过程中的振动冲击,提高展开平稳性,降低空间可展天线收展比,梳理了可展开天线桁架机构的常见构型,提出一种剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构,并详细介绍了该机构的基本单元及展开方式。对该机构的收展比进行具体分析,结果表明在相同口径和展开高度的情况下该机构的高径比比Astromesh天线桁架机构减小了35%左右。对该机构进行运动学和动力学建模,分析了机构展开平稳性,结果表明在相同大小驱动力作用下该机构的各节点加速度均方根是Astromesh天线桁架机构的30%左右,具有更好的展开平稳性。试制了缩比模型并进行了展开实验及相关参数测试,验证了机构设计的合理性及计算结果的准确性。