复合材料螺栓连接结构疲劳问题研究进展

螺栓连接具有承载能力强、可靠性高等优点，成为复合材料结构常用的连接形式之一。对碳纤维复合材料螺栓连接结构的疲劳问题研究进展进行综述。阐述了复合材料机械连接结构的几种基本类型，总结了螺栓连接在疲劳载荷下的失效过程和破坏形式，从复合材料性能、紧固件性能、侧向约束、几何效应、疲劳载荷和环境因素等方面重点论述了碳纤维复合材料螺栓连接结构的疲劳性能影响因素的研究进展，最后对未来复合材料螺栓连接结构的疲劳性能研究方向进行了总结和展望，以期对未来连接结构的研究和应用提供建议与参考。     

复合材料螺栓连接失效分析研究进展

复合材料螺栓连接具有可靠性高和易检测等优点,是复合材料结构最重要的连接形式。但是由于复合材料的各向异性、脆性以及孔边应力集中的存在,螺栓连接是复合材料结构承载的薄弱环节,已引起研究者广泛关注。本文对复合材料螺栓连接结构的钉载分配测试和分析方法,螺栓连接结构的失效预测方法及设计参数对接头失效的影响研究等进行了简要综述,着重介绍了课题组近年来在这些方面的研究工作。     

飞行器器—箭连接结构优化方法

以升力体式飞行器与运载火箭连接结构为研究对象,结合运载阶段飞行器结构及载荷特点,开展了器—箭界面连接结构载荷分配机理分析.分析表明连接螺栓分布位置、几何尺寸和安装边厚度等因素对螺栓轴力影响较大,同时影响连接位置局部变形,进而决定了由局部变形引起的螺栓附加弯矩.为实现器—箭界面连接效率最大化的目的,对连接结构优化方法进行...     

钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响

通过3种不同铺层比例的复合材料层合板机械连接接头的挤压强度测试,研究了钉头型式对复合材料层合板机械连接挤压力学性能的影响,获得了沉头螺栓挤压强度修正系数。试验数据表明：采用沉头螺栓的复合材料机械接头 的挤压强度,可达到采用凸头螺栓的复合材料机械连接挤压强度的90%左右,但接头刚度仅为采用凸头螺栓的复合材料接头刚度的40%~50%。研究采用Hashin失效准则和Tan-Camanho损伤扩展方法,对两种钉头型式的复合材料层合板机械连接接头的挤压失效过程进行了有限元分 析,预测了复合材料层合板机械连接接头的偏移挤压强度和极限挤压强度,模型预测值与试验值的误差不超过15%。     

复合材料单排多钉连接三维累积损伤强度分析

机械连接是复合材料结构的主要连接形式,针对复合材料层合板单排多钉双剪联接接头,建立了静拉伸三维累积损伤模型,考虑了多种最终失效判定准则;考虑了单排钉不同的几何尺寸。结合有限元技术即应力分析、失效判定准则、损伤后材料性能退化及机械连接最终失效准则,对复合材料机械连接接头部位在静载作用下的累积损伤失效过程及各钉孔孔径的变化过程进行模拟分析。用该模型预测的结果与试验结果进行了比较分析,数值分析结果与试验结果比较一致。     

碳纤维增强复合材料层板机械连接的拉脱强度

讨论了复合材料叠层板机械连接的拉脱强度的定义与测定方法，并对T300／648复合材料层板机械连接接头的拉脱强度及吸湿量对强度的影响进行了实验研究，初步分析了拉脱破坏的机理。     

螺栓连接梁的非线性动力学响应分析

连接界面存在复杂的非线性行为和机理。连接部位是导致结构复杂非线性动力响应的关键所在。传统结构动力学分析中,通常忽略连接或采用线性化的方法来建模,造成无法分析和研究含连接结构的非线性动力行为的困难。文中在分析改进Iwan模型用于连接界面动态力学行为描述的基础上,将改进Iwan模型用于构造非线性连接元,该单元能够反映连接界面在不同载荷幅值下的复杂的粘着-滑动行为特征,能反映出幅变非线性阻尼的特征。进一步,应用该连接单元分析了螺栓连接梁的非线性动力学响应。结果表明,该连接单元能够反映出连接结构动力学响应的非线性特征,可方便地与现有有限元动力计算程序接合,用于含连接结构非线性动力学响应的分析。     

泡沫夹层T型接头失效分析与局部几何参数设计

对泡沫夹层T型接头进行失效分析,并对其局部几何尺寸进行参数化设计.建立了泡沫夹层T型接头的3D有限元模型,分析了结构在拉伸,弯曲和剪切荷下的关键部位,失效载荷和失效形式;分析结果与实验值吻合较好.然后,针对以上关键部位,建立T型接头的参数化模型,分析接头转角的加强片长度、泡沫垫高度和泡沫垫底角对结构效率的影响.结果表明,局部几何参数设计能显著提高了T型接头的结构效率.     

复合材料平尾接头力学性能研究

针对某平尾中央翼与外翼前梁连接接头,设计了复合材料接头试验件。根据平尾接头实际载荷工况及试验件构型,设计了特定的试验夹具,确定了静力试验方案。通过静力试验,得到了试验件在实际载荷工况下的静力极限载荷和破坏模式。并采用ABAQUS有限元软件,对中央翼前梁接头、外翼前梁接头试验件进行静力分析,有限元预测结果和试验结果吻合较好,证明了有限元模型的准确性。数值计算结果表明：接头在静力载荷工况下,孔边产生应力集中,导致孔边纤维破坏并向周围扩展,最终失去承载能力。     

基于APDL的圆截面舱段楔块连接结构全接触分析技术研究

楔块连接以其连接可靠、装卸方便、空间利用率高等优点,广泛应用于圆截面舱段对接结构。楔块强度校核一般参照键联连接工程校核方法,但是需要先获取楔块传递载荷。采用有限元方法可以模拟楔块与舱体之间的复杂传力关系,更为全面地获得整体结构应力分布,但是由于接触面多,计算收敛性差。基于ANSYS参数化设计语言(APDL)开发了典型圆截面舱段楔块连接结构全接触分析命令流,对结构尺寸、公差配合间隙、预紧力等进行了详细设计。根据理论分析结果和工程应用经验,楔块连接结构全接触分析模型将正楔、反楔和直楔作为整体进行建模,而通过热载荷模拟楔块初始预紧力;在楔块、内舱体和外舱体之间建立两两接触关系,真实地反映了结构传力状态。在各独立楔块之间建立弹性连接结构,对弹性连接结构施加附加位移约束,有效解决了计算发散问题;同时通过调节弹性连接结构刚度,将附加约束对本体结构的影响减小到工程可接受程度。     

旋翼／机身耦合系统的固有特性研究

直升机的旋翼与机身在桨毂处是机械耦合的，用旋翼阻抗和机身阻抗在桨毂处匹配的方法分析旋翼／机身耦合系统的固有特性。旋翼阻抗由旋翼在固定坐标系中的运动方程得到，这个运动方程由旋翼旋转坐标系中的桨叶模态方程导出，机身阻抗可由此可见 身的有限元分析计算或振动试验获得，还设计与加工了一个旋翼／梁耦合模型，对此模型进行了试验研究，试验结果和计算结果比较表明，分析旋翼／机身耦合系统固有特性的方法是可行的，且具有较高的精度。     

轴对称喷管与后机身组合结构的红外特性实验

用实验的方法研究了背负式安装的轴对称喷管与具有双尾翼的飞机后机身组合结构的红外辐射特性,在几个典型平面内测量了组合结构的红外辐射强度的空间分布,并且将测量结果与单纯的轴对称喷管的红外辐射强度进行了比较。结果表明,在后下方平面内,由于后机身对喷管和喷流的遮挡,组合结构的红外辐射强度低于单纯的轴对称喷管,并且随喷口相对机身的内缩距离的增加而降低,但是在某些方向上,如后上方平面内,组合结构的红外辐射强度高于单纯的轴对称喷管。     

大柔性飞机起落架缓冲器参数设计

为解决现行飞机起落架缓冲器设计不考虑机体柔性存在的问题,以大柔性飞机支柱型起落架油气式缓冲器为例,采用三质量块飞机着陆模型和功量预估分配法选择缓冲器参数,并对其进行着陆响应动力学分析。研究结果表明,机体一阶模态频率和起落架与机体连接点位置是影响机体储存着陆功量的两个主要因素:机体一阶模态频率小于2 H z时,机体储存的着陆功量预估公式计算误差小于5%;机体储存能量的耗散效率较低。     

倾转四旋翼UAV过渡状态下旋翼/机身气动干扰数值分析

通过数值模拟的方法对十字构型倾转四旋翼UAV在倾转过渡状态下前旋翼/机身/后旋翼间的气动干扰进行了计算与分析。分别建立了孤立前旋翼、前后旋翼、前旋翼-机身、前后旋翼-机身组合时的计算模型。在不同旋翼倾转角下,研究了以上组合模型对前旋翼、后旋翼以及机身的气动力和力矩的影响并分析了相互间的气动干扰情况,得出了前旋翼是整机气动干扰影响的主导因素,揭示了旋翼/机身间气动干扰形成的原因,为该构型旋翼布置与控制系统的设计提供参考。     

非圆形截面复合材料机身屈曲优化设计研究

为了降低BWB机身弯曲应力、提高屈曲稳定性,在150座BWB民机复合材料三舱室机身结构的基础上,提出了改进的Y形和弧形加强三舱室机身设计模型;利用零阶参数优化算法,对3种机身结构进行了静力与线性屈曲优化分析,获得了较为合理的三舱室机身布局方案,为BWB民机机身设计提供了重要技术参考.     

配合间隙对层板多孔连接内力分配的影响

本文利用Ｆａｂｅｒ级数展开和弹性平面理论中的复势方法，提出了一个普遍有效的关于层板多孔连接的内力分配的分析方法，作为算例应用，特别研究了配合间隙对层板四孔连接内力分配的影响。本文方法不难推广到多孔连接的其他力学问题。     

前飞状态直升机旋翼/机身非定常气动干扰的分析

一个计算旋翼/机身/尾迹间非定常气动干扰的分析方法是建立在二阶升力线/全展自由涡模型和机身面元模型基础之上的。通过迭代机身在桨盘平面、尾迹定位点的诱导速度和旋翼/尾迹在机身表面的诱导速度,形成一个耦合的分析模型。在分析中计入了非定常项。作为算例,对两种孤立机身表面的平均压强系数分布以及旋翼机身组合体中机身表面的非定常压强系数分布进行了计算,其结果与实验值相吻合。     

翼身融合布局民机PRSEUS结构制造工艺研究进展

拉挤杆缝合高效一体化结构(Pultruded rod stiffened efficient unitized structure,PRSEUS)综合利用了复合材料的一体化缝合和整体固化技术,能够满足翼身融合布局民机的传载、止裂、稳定性和维修性等结构设计要求。PRSEUS面板采用了低成本整体式结构设计制造方法,通过采用三维编织、单边缝合和可控气压树脂灌注等技术,完成纤维编织、缝合和树脂灌注过程,以低温共固化和缝合技术确保结构法向强度。通过合理选材和工艺设计,易于满足翼身融合布局民机不同部位结构的多样性设计需求。本文从翼身融合布局民机PRSEUS结构选材设计、PRSEUS结构制备核心工艺、PRSEUS工装夹具、典型PRSEUS测试壁板制造和典型机身试验件制造等方面系统阐述了翼身融合布局民机PRSEUS结构制造工艺技术的最新进展和发展现状,通过总结与展望PRSEUS结构制造工艺研究进展,为中国未来民机结构设计制造以及新型材料结构研发提供有价值的技术参考和研究方向。     

基于机体振动的直升机桨毂阻尼故障诊断

研究了仅用机体振动信号诊断旋翼减摆器阻尼失效、轴向铰卡涩和水平铰卡涩3种桨毂阻尼故障的可行性。在旋翼试验台上分别设置上述3种阻尼故障,测取机体振动响应,利用快速傅立叶变换分析其频谱特征。分析表明,3种阻尼故障引起的机体振动谱图互不相同。采用概率神经网络实现了3种阻尼故障的正确分类。研究表明,仅用机体振动响应实现旋翼阻尼故障诊断是可行的。     

旋翼与机身耦合的多柔体动力学方程

在分析旋翼系统的挥舞、摆振和变距运动的基础上，应用柔性多体理论建立旋翼系统的动力学方程，并利用超单元技术建立机身动力学方程，然后根据模态综合技术建立旋翼与机身耦合系统动力学方程。同时作线性处理，计算一个简单模型的固有频率，为旋翼与机身耦合系统的振动特性和响应分析提供一种新模型。