某型飞机用PMI泡沫夹层复合材料的设计

本文选用国外先进、成熟的高温固化环氧碳纤维复合材料、PMI轻质泡沫塑料芯材及高温固化结构胶粘剂,从适航、材料选择、夹层结构特点等方面出发,来设计泡沫芯/高温固化环氧碳纤维夹层复合材料,并采用目前应用最多的一种成形工艺方法-热压罐成形工艺来制备该复合材料。将泡沫芯/高温固化环氧碳纤维夹层复合材料应用于某型飞机,具有显著的结构减重效果,为民机结构应用泡沫夹层复合材料奠定了坚实的基础。     

客机复合材料APU舱门结构设计及分析

按照结构布局、适航要求及APU门载荷水平,对复合材料APU舱门结构进行设计研究.为满足防火要求和闪电防护要求,选择先进碳纤维复合材料和泡沫芯材,设计了一种复合材料夹层结构.利用有限元模型对夹层结构在气动载荷和风载作用下进行应力和位移分析,得到应变云图和变形云图,分析说明该夹层结构设计满足设计要求.通过对B737飞机APU舱门结构研究和重量提取,进行重量等效对比分析,结果表明该复合材料夹层结构比金属结构重量轻25.8％,减重效果明显.     

航空航天夹层结构抗冲击性能的研究现状

随着航空航天科技的迅猛发展,人们对高性能工程材料的设计与制备提出了更高的要求,夹层结构因其具有良好的抗冲击性能,得到了广泛的应用.简要介绍了目前航空航天上主要应用的几种夹层结构的抗冲击性能的研究现状,分析比较几种夹层结构的抗冲击性能,为航空航天夹层结构抗冲击性能的设计和研究提供参考.     

共固化复合材料/铝蜂窝夹层结构性能

采用共固化工艺制备了碳纤维增强复合材料面板/铝蜂窝夹层结构。通过考察固化压力对复合材料面板性能的影响确定了共固化的成型压力,对比分析了不同规格铝蜂窝及其夹层结构的力学性能。结果表明,对于薄面板,成型压力对面板力学性能的影响较小,规格为0.04 mm×4 mm的铝蜂窝制备的夹层结构具有更高的比强度和比刚度,且成型工艺性好。     

激光选区熔化成形点阵结构应用研究

点阵结构因内部孔隙率可设计,比强度、比刚度高,具有良好的减重效果,适用于结构轻量化设计。近年来,随着激光选区熔化成形技术的发展,点阵结构逐渐被应用到国内外航空航天领域。但激光熔化成形的点阵结构与传统点阵结构有较大区别,模型数据量极大、内部拓扑空间复杂,在设计过程中面临点阵结构标准化定义、模型信息传递、力学性能分析、内部质量检验等方面的挑战。通过对舱门点阵结构的应用研究,对上述挑战和问题进行了研究,为点阵零件设计提供了参考经验。     

点阵夹芯主动冷却结构发展现状与展望

点阵结构呈周期性规则形状,具有比强度高、比刚度高、轻质及换热效率高的特点,是当前国际上公认的具有广泛应用前景的结构。将点阵结构应用于主动冷却技术,形成点阵夹芯主动冷却结构是解决超燃冲压发动机热防护问题的有效手段。点阵结构的发展离不开制备工艺的进步,本文对传统机械加工工艺与增材制造技术用于点阵结构制备的原理与现状进行了综述,通过文献调研归纳总结点阵结构单元、设计尺寸以及与其他强化换热结构的协同作用对换热性能的影响;在此基础上分析点阵夹芯主动冷却结构在超燃冲压发动机中的潜在应用价值,针对其工程应用提出下一步的发展建议。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的散热承载协同优化

在散热性能分析中,解析地给出了点阵夹芯结构的整体传热系数和等效压降,定义了散热性能指标.通过连续介质力学的方法和经典的层合理论,并通过串并联模型给出了碳纤维增强点阵夹芯结构整体的刚度特性.在满足既定的承载要求和一定的散热要求约束下,提出了一种对碳纤维增强点阵夹芯结构进行多功能优化设计的协同优化方法,在设计中采用了更符合工程实际的基于分枝定界法的混合离散优化方法,得到了夹芯结构质量函数的最小值,从而实现了轻质的目的.同时对不同结构形式的芯子做了相应的比较和分析,结果表明:金字塔型点阵夹芯结构在实现轻质的同时,具有较强的散热能力,而且承载能力更好,更为轻质高效.      

X-cor夹层结构压缩性能研究

X-cor结构是一种采用拉挤复合材料细杆（Pin）以三维网架结构形式增强泡沫的新型夹层结构材料,该夹层结构与传统泡沫夹层结构和蜂窝夹层结构相比,具有很高的比强度和比刚度。为了研究Pin植入角、Pin直径对X-cor夹层结构压缩强度和压缩模量的影响,压缩性能试样采用Rohacell 31泡沫作为芯材,Pin采用0.5 mm和0.7 mm两种不同直径的T300/FW 63碳/环氧拉挤细杆,并将实验结果与不含Pin增强的泡沫夹层结构进行了对比。研究结果表明,Pin的存在极大提高了X-cor夹层结构的压缩强度、压缩模量,同时密度仅小幅度提升;Pin对X-cor夹层结构压缩性能的增强效率随Pin植入角的减小而提高,采用小直径的Pin更利于提高X-cor夹层结构压缩性能。     

航天器点阵夹层圆柱壳构型多学科优化设计

针对航天器结构承载、密封及轻量化设计等苛刻设计要求,基于四面体结构的微观单胞构型,研究双层点阵夹层圆柱壳结构的单目标及多目标优化设计。优化模型以点阵夹层圆柱壳结构中的上中下板面的厚度、间距以及单胞内杆件的半径作为设计变量,在单目标优化中,以结构的质量为目标函数,获得合理的单胞分布;在多目标优化中,以最小热传导系数、最大化一阶屈曲载荷、屈服强度为目标进行优化,获得多学科优化问题的Pareto前沿。基于双层四面体点阵结构的多目标优化,给出了用于描述最小应力、最小质量、最小传热的最优解集。     

多层点阵夹心结构承压性能研究

针对多层点阵夹心结构的轻质化要求同其承压能力之间的问题,构建了多层点阵夹心结构的有限元模型,研究了层数、金字塔芯子单胞分布密度、薄板厚度、流体压力及不同材料种类对多层点阵夹心结构承压性能的影响。结果表明,较大的层数、芯子单胞分布密度及薄板厚度均会有效提升多层点阵夹心结构的承压能力,但会增大该结构的质量;较大的流体压力会对多层点阵夹心结构中薄板及芯子单胞的组成提出较高的要求;弹性模量较大的材料所制备的多层点阵夹心结构的承载能力也较高。     

碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲强度

考虑到点阵芯层的结构形式及杆单元以拉压为主的变形模式,基于连续介质等效理论,提出了一种全新的位移场假设,并以此编写了计算点阵夹芯复合材料屈曲强度的有限元程序.通过与不同试样的压缩试验的比较,对碳纤维增强点阵夹芯结构的屈曲行为进行了分析,并且验证了程序的有效性.同时,采用程序,讨论了点阵参数(包括杆单元长度、半径及倾斜角)对点阵夹芯复合材料结构屈曲强度的影响规律.结果表明:芯层体积分数相同的情况下,金字塔型和四面体型点阵夹芯结构的屈曲强度相差不大,后者略高.所得结论对点阵夹芯复合材料结构设计具有一定的指导意义.      

多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究

多孔金属夹芯结构已被广泛应用于航空航天等领域,研究其抗爆吸能性能具有十分重要的意义。分别对金属空心小球和泡沫铝两种夹芯壳结构在TNT爆炸载荷作用下的抗爆性能进行爆炸实验,并采用AN-SYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟研究。结果表明:金属空心小球夹芯结构作为抗爆吸能结构是可行的;在结构框架尺寸与质量相同时,内面板厚外面板薄的夹芯结构具有更好的抗变形能力,内面板薄外面板厚的夹芯结构则具有更好的吸能特性;在结构框架尺寸与质量相同时,负梯度夹芯结构、并列型小球夹芯结构、小半径小球夹芯结构具有更好的抵抗爆炸载荷和吸收冲击能量的性能;在结构框架尺寸与质量相同时,金属空心小球夹芯结构的整体强度更高,而泡沫铝夹芯结构能更充分地发挥芯层的缓冲性能。     

聚酰亚胺泡沫材料在航空航天飞行器中应用进展

总结了新型聚酰亚胺泡沫材料在航空航天飞行器中如低温贮箱隔热体系、蜂窝结构材料、透波材料、机身隔热体系、飞行器座椅等方面的应用进展，指出今后聚酰亚胺泡沫材料研究和应用的方向和趋势。     

增材制造钛合金微桁架夹芯板低速冲击响应

增材制造技术能够制造复杂点阵结构。相比于传统的加工工艺,可以一次成型,克服了低速冲击下传统工艺芯层与面层在连接点处易发生脱粘的问题。利用低速落锤试验装置对增材制造面心立方（FCC）夹芯板和体心立方（BCC）夹芯板进行了低速冲击试验,获得了两种微桁架点阵夹芯板的破坏模式和冲击响应曲线。低速冲击下,微桁架夹芯板上面层在冲击部位产生局部凹坑,并出现裂纹,其余部位没有大变形。试验结果表明在相同能量冲击下,BCC夹芯板的凹坑深度要小于FCC夹芯板,BCC夹芯板的抗冲击性能要优于FCC夹芯板;建立有限元模型,较好地表征了低速冲击过程中微桁架结构的损伤。发现在低速冲击过程中,对于两种微桁架点阵夹芯板,冲击能量主要由上面层和芯层吸收;冲击能量改变,夹芯板各部分吸能百分比变化较小。BCC夹芯板和FCC夹芯板结构稳定,整体性好;低速冲击下,FCC夹芯板最先发生破坏的部位是上面层与芯层连接处;而BCC夹芯板最先发生破坏的部位是中间竖直桁架。     

金属梯度多孔夹芯板振动特性分析

金属梯度多孔材料芯层的胞孔壁厚度及半径沿芯层厚度方向逐渐变化,使得芯层的材料参数如密度和弹性模量等逐渐变化;采用金属梯度多孔材料代替传统均质多孔芯层会影响夹芯板的振动特性。基于高阶夹芯板理论且考虑梯度多孔芯层密度和弹性模量的耦合影响,建立了复合材料面层-金属梯度多孔夹芯板的振动方程。分析了3种密度的梯度芯层:单向分布、正梯度对称分布和负梯度对称分布对夹芯板固有频率的影响;最后讨论了3种梯度夹芯板在相同三角脉冲载荷作用下的振动响应。计算结果表明梯度芯层密度对称分布的夹芯板固有频率大于单向分布的夹芯板固有频率。     

复合材料夹层结构在航空领域的应用

详细描述了复合材料夹层结构及几种常用芯材的性能特点,综合分析了复合材料夹层结构在飞机上的应用案例,对各种夹层结构芯材成型工艺的重点、难点进行了探析,得到了复合材料夹层结构的性能概况及使用工艺要求,可为复合材料夹层结构设计、制造提供参考。     

Optimization design of chiral hexagonal honeycombs with prescribed elastic properties under large deformation

Flexible chiral honeycomb cores generally exhibit nonlinear elastic properties due to large geometric deformation. The effective elastic moduli and Poisson’s ratio typically vary with an increase in deformation. Here, the size and shape optimization of the chiral hexagonal honeycombs was performed to keep the Young’s moduli and Poisson's ratio unchanged under large deformations. The size of the honeycomb unit cell and the position coordinates of the key points were defined simultaneously as design variables. The equivalent Young's modulus and Poisson’s ratio of chiral honeycombs were calculated through geometric nonlinear analysis. The objective was to minimize the allowable tolerance between the prescribed and actual properties within the range of the target strain. A genetic algorithm was then adopted. The optimal results demonstrate that the chiral honeycombs can maintain effective elastic properties that do not vary under large deformation. These results are meaningful to morphing aircraft designs.     

Design and simulation of an innovative cylinder fabricated by selective laser melting

Additive Manufacturing (AM) processing has attracted wide attention due to its advantages, e.g., rapid prototyping and free design. In aeronautic and astronautic engineering, it is especially attractive to apply AM processing, especially Selective Laser Melting (SLM), into primary structures that always occupy most of the whole mass of aircraft or spacecraft. In this paper, an innovative lattice sandwich structure that is suitable to be manufactured with SLM is adopted to design the typical cylinder under axial compression. Firstly, the mechanical properties of pyramidal lattice are investigated, and the bearing capacity of the lattice sandwich cylinder is given analytically for each failure mode. Secondly, a composite cylinder is re-designed in the form of lattice sandwich structure, which sizes are ultimately obtained through optimization. Finally, finite element model of the innovative cylinder is established and several kinds of imperfection are introduced to simulate the defects caused by SLM. Numerical result shows that the lattice sandwich design can obviously enhance the bearing capacity of cylindrical shell even though the original one is designed with composite material. In other words, SLM has great potential in improving the primary structure of spacecraft in the future.     

两种典型缺陷对六边形蜂窝压缩性能的影响

文摘通过数值模拟研究了孔洞和部分填充孔穴这两种典型缺陷对弹性蜂窝(橡胶)和弹塑性蜂窝(金属)的压缩性能的影响规律。结果表明,相对于分散孔洞,集中孔洞对蜂窝材料的力学性能影响更大,且它们的存在完全改变了其变形模式;而对于含填充孔穴的蜂窝材料而言,其弹性模量得到显著增强,弹性蜂窝的屈曲应力也得到增强,但弹塑性蜂窝的塑性坍塌应力则保持不变或有所下降。