Ω长桁和T长桁的工艺对比分析研究

在飞机复合材料蒙皮类构件的设计制造过程中,早期设计阶段,对不同长桁结构进行工艺对比分析研究,有助于提高加筋壁板的结构性能、便于工艺优选、节约制造成本,实现面向制造的低成本最优化设计。针对飞机复合材料蒙皮与Ω长桁、T长桁共固化的典型结构,阐述二者的制造流程及工艺特点;从制造工艺、工时、花费、产品重量和抗冲击性能等方面,对比Ω长桁和T长桁的优缺点;提出在飞机设计制造的并行工程中进行不同结构工艺分析的方法。结果表明:Ω长桁相对T长桁,具有重量轻、抗冲击性能好等优点,但其制造工艺更为复杂,报废率高,制造成本较高。     

T型长桁边缘倒角对蒙皮纤维屈曲的影响研究

文 摘 通常在复合材料加筋壁板结构先固化长桁,再将未固化的蒙皮与固化长桁进行共胶接过程中,由于辅助材料的架桥造成长桁边缘处蒙皮局部纤维屈曲。针对此类问题,研究了长桁边缘倒角角度、蒙皮厚度和蒙皮铺层角度3个因素对长桁边缘处蒙皮局部纤维屈曲程度的影响,并对纤维屈曲的原因和机理进行了分析。结果表明：减小倒角角度有利于减小蒙皮局部纤维屈曲的程度,同时纤维屈曲程度与蒙皮厚度呈正相关,与蒙皮铺层中90°铺层比例呈负相关。工程应用中,对长桁边缘适当倒角,在不使用工艺软模的条件下有利于提高复合材料加筋壁板的成型质量。     

T型长桁边缘倒角对蒙皮纤维屈曲的影响

针对T型加筋壁板典型结构共胶接成型过程中T型长桁边缘处蒙皮纤维屈曲的问题,开展了T型长桁边缘倒角对蒙皮纤维屈曲的影响研究,对长桁边缘产生纤维屈曲的原因、机理以及长桁边缘倒角角度与纤维屈曲程度关系进行研究。结果表明,共胶接成型制备T型加筋壁板时,长桁缘条面边缘倒角能改善长桁缘条边缘处蒙皮的纤维屈曲的程度;长桁边缘处蒙皮纤维屈曲的剧烈程度与长桁缘条边缘倒角角度和蒙皮厚度成正比,与蒙皮铺层中90°纤维铺层比例成反比。工程应用中,对长桁边缘适当倒角,在不使用工艺软模的条件下有利于提高复合材料加筋壁板的成型质量。     

复合材料加筋壁板长桁蒙皮剥离失效分析

为了研究复合材料加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,基于ABAQUS有限元软件中的连续壳单元和Cohesive单元建立了有限元模型。在该模型中,采用Hashin准则预测面内损伤,而对于蒙皮与长桁缘条之间脱胶损伤的起始与扩展,则采用Cohesive单元进行模拟。采用该模型对复合材料加筋壁板蒙皮与长桁在纯弯载荷作用下的破坏过程进行仿真,仿真结果与试验结果相比较表明,本文建立的有限元分析模型能较好地模拟加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,并且能较好地预测该结构的剥离强度。     

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。     

民用航空含Ω型长桁复合材料加筋壁板制造技术研究

含Ω型长桁的复合材料加筋壁板由于其结构上的优势,在民用大飞机上被越来越多地采用。然而,此种类型的加筋壁板在共固化成型过程中存在Ω型长桁如何加压的问题,特别是在有严格的适航符合性审查要求的民用航空产品制造领域,进一步提高了制造难度。经过多次试验,最终采用薄壁橡胶气囊成型法制造出符合设计要求和适航要求的含Ω型长桁加筋壁板。     

热压罐工艺帽型加筋壁板长桁胶接变形问题

采用"干长桁+湿蒙皮"共胶接工艺制造复合材料帽型加筋壁板零件时,发现长桁在胶接固化后普遍存在压塌式变形及胶接面胶层厚度不均匀的现象。为改善上述问题以实现复合材料帽型加筋壁板的高精度成型,通过试验件的制造和检测收集了长桁胶接前后的变形数据及胶接后的胶层厚度数据,分析了长桁在热压罐中胶接时的受力状态及导致长桁变形的主要原因,并采用有限元模拟对分析进行了验证。结果表明：帽型长桁在胶接后确实发生了压塌式变形,长桁胶接时帽顶R区的内外压力差及长桁缘条侧边加压不充分是导致变形的主要原因。将长桁缘条侧边倒成斜边或可减小这种变形的程度。     

金属机翼长桁梢部拉伸试验研究

长桁梢部是飞机壁板设计中的关键细节特征,也是飞机壁板设计的难点之一。通过某型飞机下壁板长桁梢部结构静力拉伸试验,对长桁梢部的静力失效模式,传力特性进行试验研究,并对15°、30°和45°三种典型斜削角度的长桁梢部结构进行了对比分析。试验结果表明,长桁梢部在第一排紧固件位置以蒙皮剪切的形式破坏;应变分析表明长桁梢部在斜削段存在局部弯曲;三种斜削角度中,30°斜削角度最优。试验结果为某型飞机下壁板长桁梢部设计提供了依据。     

冲击损伤对复合材料壁板强度性能影响的试验研究

研究冲击损伤对复合材料加筋壁板稳定性和承载能力的影响具有重要意义,规划轴压试验并对典型复合材料加筋壁板进行带损伤和不带损伤的对比试验,其中考虑不同筋条截面形状("工"字型和"T"字型)对抗冲击的影响。结果表明:冲击对加筋板的破坏位置有着显著影响;在给定冲击能量下,长桁底缘边缘冲击损伤和长桁轴线冲击损伤对加筋板的稳定性和承载能力没有产生显著影响;在长桁面积相当的情况下,"T"字型长桁加筋板的抗冲击能力强于"工"字型长桁加筋板。     

飞机复合材料长桁压损失效的渐进损伤分析

针对碳纤维增强树脂基复合材料长桁的压损失效,提出了一种以渐进损伤理论为基础的有限元数值模拟方法。以较常见截面的长桁为分析对象,建立了有限元模型。选用合理的材料受损后的刚度折减方案,基于Hashin失效判断准则,利用ABAQUS软件进行非线性求解后得到了长桁压损失效临界载荷。相应地,制造了3种不同尺寸的T型长桁进行压损试验。对比载荷位移曲线和结构失效临界载荷,结果显示,以渐进损伤理论为基础的有限元数值模拟方法与试验比较吻合。     

复合材料加筋筒段压载荷承载能力优化

复合材料加筋筒段是航空航天领域广泛采用的结构构形,其结构形式决定了重量及承压能力。为了研究加筋筒壁的承载能力,分析筋条间距、筒段长度和四种典型工程筋条截面的影响;以结构轻重量为目标函数,结构临界屈曲载荷、筋条局部屈曲载荷为约束,采用梁轴惯性矩平移模型,对复合材料筒壁0°、±45°、90°各铺层总厚度和筋条截面尺寸进行优化。结果表明结构轻重量设计中τ型桁条最有利,并得到其设计曲线,为工程设计应用提供参考。     

复合材料帽型筋条脱粘的失效机理分析

复合材料加筋结构承受后屈曲载荷时,蒙皮局部屈曲会导致筋条承受面外弯曲载荷,极易引起蒙皮与筋条的界面脱粘,最终导致结构破坏.通过四点弯曲试验模拟加筋结构受后屈曲载荷时的蒙皮/筋条界面性能,建立渐进损伤模型,分别考虑筋条与蒙皮胶接界面以及复合材料层板的失效,并引入材料刚度退化模型,详细分析蒙皮/筋条界面的脱粘机理和失效过程.分析结果与试验结果一致,表明加载跨距对于结构的失效形式影响较大,90 mm加载时,胶层均首先失效于筋条与蒙皮内角处的胶接界面,且主要受Ⅱ型剪切模式影响;而150 mm加载情况下胶层均首先失效于翼缘自由端与蒙皮交界处.正向加载时胶层失效主要受Ⅰ型和Ⅱ型混合模式影响,反向加载胶层主要受Ⅱ型剪切模式影响.界面脱粘以后,随着载荷增加,筋条腹板与缘条转角外侧出现分层破坏,损伤模型预测结果与超声扫描检测结果一致.     

基于局部屈曲、压损载荷的帽型长桁截面优化设计

由于帽型长桁的截面尺寸较大,其两边突缘与蒙皮相连形成一个闭合截面,具有很高的受压稳定性,因此被广泛应用于复合材料机身壁板。在局部屈曲和压损载荷下,用MATLAB线性优化帽型长桁截面尺寸,并得出帽型长桁局部屈曲载荷与帽底宽度,帽腰和帽底夹角的关系曲线;压损载荷与帽底宽度,帽腰和帽底夹角的关系曲线,为设计师在初步尺寸设计时提供参考。     

复合材料帽型加筋壁板轴压屈曲工程算法验证研究

计算复合材料加筋壁板轴向压缩屈曲载荷的方法会根据不同工况而各异。文章研究了四边简支、四边固支等边界条件下,考虑帽型加筋桁条底脚对蒙皮的支撑作用,按不同的厚度折算方式时,多种工程理论计算方法对复合材料帽型加筋壁板试验件轴向压缩屈曲载荷分析的适用性,并将工程理论计算结果与试验值进行了对比。计算结果表明,多种方法中只有四边固支,并假设桁条与蒙皮轴向刚度相等进行的加筋桁条底脚厚度折算时,最终计算的结果才与试验值吻合较好,误差在可接受范围。由于试验件批量若干,试验件的相关结构参数、铺层顺序以及边界条件具有典型性和代表性且与工程实际结构有相关性,故该方法对于飞机工程型号设计以及强度分析快速计算具有参考和借鉴意义。     

复合材料加筋壁板压缩稳定性工程算法验证研究

复合材料加筋壁板的主要失效模式是丧失稳定性,为确保其结构安全同时有效降低结构重量,有必要 对其稳定性校核时的边界条件和蒙皮受载边宽度选取进行系统的研究。通过对两种边界条件、三种蒙皮受载 边宽度选取进行研究,提出考虑长桁影响的蒙皮受载边宽度选取方法,进行加筋壁板稳定性计算,将计算结果 与试验结果进行验证。结果表明:边界条件选取四边简支,蒙皮受载边宽度选取考虑长桁影响的工程稳定性计 算方法准确度最高,计算结果与试验结果最小偏差0.29%,最大偏差7.16%,且全部低于试验值;该方法用于 结构强度稳定性校核是安全可靠的。     

含离散源损伤复合材料加筋板的压缩特性

 通过对含有离散源损伤的复合材料加筋板的压缩实验和有限元模拟,研究了离散源损伤的损伤扩展与破坏特性以及对复合材料加筋板剩余强度的影响。 结果表明，复合材料加筋板的离散源损伤用穿透蒙皮切断桁条的切口来模拟是合适的，蒙皮上的穿透切口前端有很高的应变集中，桁条被切断导致加筋板传力路线改变；离散源损伤使复合材料加筋板的压缩强度下降显著，达到60％左右； 基于Hashin失效准则的渐进损伤有限元数值模拟方法，可以有效地模拟含切口加筋板的宏观损伤扩展和破坏过程，计算结果与实验值吻合较好。