大型机身复合材料加筋壁板制造技术及应用

复合材料机身是我国新研制的大型民用客机的重要结构之一,其制造工艺直接影响产品的质量一致性、产能、成本等,传统手工为主的制造技术已远远不能满足当前要求。为了验证大型机身复合材料帽型加筋壁板的自动化成型工艺进行了多方位的研究探索和验证,通过串联自动铺带、自动铺丝、长桁毛坯的叠层滑移成形、填充芯材自动成形、长桁定位等工艺,完成了大型壁板的制造。研究表明,选择的壁板制造工艺技术风险低,质量一致性高,为大型复合材料机身帽型加筋壁板的自动化制造提供了基础。     

复合材料机身帽型长桁加筋壁板压缩屈曲及失效特性研究

大型客机机身壁板材料现已广泛采用碳纤维复合材料,研究壁板的屈曲及失效特性对提高结构设计效率具有重要的意义。采用工程分析、有限元分析和试验三种方法研究压缩载荷下复合材料机身帽型加筋壁板的屈曲载荷、失效载荷和失效模式;通过工程方法和有限元方法研究压缩载荷下壁板的屈曲形式和载荷,采用 Von Karman 法修正的柱失稳方法研究壁板在压缩载荷下的承载能力;依靠先进的机身壁板多轴载荷试验系统完成 3 m×2 m 机身壁板的压缩载荷试验、压缩充压复合载荷试验,验证并完善工程和有限元分析方法。结果表明：屈曲分析时需要对工程分析和有限元方法进行修正,失效分析时采用修正的柱失稳方法的分析结果比试验结果略保守。     

复合材料加筋壁板的后屈曲逐步损伤及承载能力研究

通过对复合材料加筋壁板的后屈曲有限元分析和试验,给出了复合材料加筋壁板的临界载荷、损伤演化和后屈曲承载能力。理论预测与试验结果符合情况良好。     

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。     

复合材料帽形加筋壁板剪切屈曲性能

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）帽形加筋壁板的剪切屈曲进行了试验、理论分析和数值模拟。根据线弹性理论推导了复合材料帽形加筋壁板蒙皮的应变分布;针对复合材料帽形加筋壁板3种蒙皮板条单元截取宽度和两种边界条件,利用理论公式和半经验公式计算了加筋壁板的剪切屈曲载荷;利用特征值法和几何非线性法进行了剪切屈曲模拟分析;将得到的分析结果与试验结果进行了对比。结果表明：根据线弹性理论得到的蒙皮应变分布与试验结果一致,验证了推导结果的正确性;选择合适的边界条件和蒙皮板条单元截取宽度,利用理论公式和半经验公式可得到加筋壁板较准确的屈曲载荷;利用特征值法得到的屈曲载荷较试验屈曲载荷高,选择合适的几何初始缺陷系数利用几何非线性分析方法可模拟复合材料帽形加筋壁板在剪切载荷作用下的屈曲过程。     

基于失稳疲劳的加筋复合材料层合板设计

本文根据理论分析发现在层合板失稳至出现损伤区间存在一个阶段使得复合材料层合板整体承载呈现线弹性表征阶段的力学行为比较稳定,即使在含有预制损伤情况下仍然具有足够的疲劳安全性能。通过失稳疲劳试验验证了在加筋复合材料层合板失稳线弹性表征阶段48000次循环载荷的测量数据重复性良好且预制损伤未扩展。因此,基于失稳疲劳的加筋复合材料层合板设计可以在保证结构强度设计安全前提下最大限度控制重量指标、发挥材料结构承载能力,满足飞机使用与发展需求。     

复合材料加筋壁板轴压稳定性计算与试验研究

对复合材料加筋壁板的轴压失稳进行了分析计算和试验验证，在计算和试验的基础上通过失稳模式和机理的分析，提出了几种改变结构设计参数来提高承载能力的措施，为进一步完善和改进结构设计提供了参考。     

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。     

轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力研究

建立了轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力分析有限元模型,计算了航空结构中典型的工字型、T型和帽型复合材料加筋板的屈曲载荷,并采用渐进损伤分析方法对复合材料加筋板后屈曲极限破坏载荷与破坏模式进行了研究.研究了筋条截面形状、筋条铺层方式对复合材料加筋板后屈曲特性的影响,研究结果可以为复合材料加筋板的设计提供参考.     

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。     

复合材料结构长桁端头设计

现代民用飞机结构中大量采用复合材料长桁,而其材料性能和工艺特殊性会导致在使用过程中经常出现长桁和蒙皮分离现象。为了提高脱胶起始载荷,通过有限元方法分别对长桁末端腹板斜削设计和增加长桁末端附近缘条面积设计进行研究分析,总结出了复合材料结构长桁端头细节设计诸多有意义的结论。     

复合材料加筋壁板稳定性分析方法研究

针对跨厚比在30~40之间的工字型长桁加筋壁板的稳定性问题,采用三种方法进行了分析计算,并将计算结果与试验结果进行对比,详细分析了这三种方法的优缺点,给出实用、可靠的跨厚比在30~40之间的工字型长桁加筋壁板结构稳定性分析方法。     

Z-pin增强复合材料帽型加筋壁板接头拉伸性能

为了提高复合材料帽型加筋壁板结构中筋条与蒙皮界面处的连接强度,引入Z-pin三维增强技术。制备了Z-pin增强帽型接头试样,并对其进行拉伸试验,研究Z-pin对帽型接头界面增强机理及不同Z-pin体积分数、直径及加载跨距对筋条与蒙皮界面处连接性能的影响规律。结果表明:Z-pin直径为0.5 mm、植入角度为90°时,在体积分数0%~1.0%范围内,Z-pin增强帽型接头拉伸强度随着体积分数的增加而增加,增长趋势随体积分数增加而减缓,含1.0% Z-pin增强帽型接头比未增强接头强度提高了31.2%,在体积分数1.0%~1.5%范围内,Z-pin增强帽型接头拉伸强度呈降低趋势;Z-pin直径对帽型接头拉伸强度影响不显著;随着加载跨距的增加,含0.5%(直径0.5 mm)Z-pin增强帽型接头伴随有失效模式转变,拉伸强度呈现降低趋势。     

考虑不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲分析模型验证方法

复合材料加筋壁板在结构轻量化设计中,由于材料组分、几何尺寸具有不确定性,导致了壁板结构在服役条件下承载特性的不确定性。针对上述问题,提出了一种考虑参数不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲模型验证方法。首先基于正交试验设计方法进行了不确定性参数的显著性分析,然后采用Kriging模型构建了能够表征后屈曲特性的代理模型,利用蒙特卡洛随机模拟获得加筋壁板后屈曲载荷概率分布,最后通过壁板结构在典型承载条件下的力学实验数据验证了分析模型的准确性。该分析方法对于壁板件在实际工程中的应用具有一定指导意义。     

加筋壁板长桁凸缘侧向稳定性设计与研究

研究加筋壁板在轴向压缩载荷作用下长桁凸缘的侧向稳定性。结合加筋壁板强度和刚度设计因素,对长桁凸缘的侧向屈曲临界载荷进行分析,并提出长桁支撑件的刚度设计指标计算方法,为工程设计人员提供指导以提高设计效率。     

复合材料加筋板后屈曲设计技术欧盟研究综述

为了保持竞争力,欧洲的飞机工业要求降低开发和使用成本,短期和长期分别降低20%和50%。为了实现这一目标,欧盟在框架计划下支持了一系列复合材料加筋结构后屈曲技术相关的研究项目。飞机复合材料加筋板具有较强的后屈曲承载能力,在飞机设计中可大幅提高结构的承载效率。本文介绍了欧盟在该领域的发展概况,从项目背景、目标、开展的工作、分析方法以及研究成果等方面阐述了欧盟在第五、第六和第七框架及其他项目下支持的复合材料加筋结构后屈曲设计分析技术相关研究项目,并分析了该领域技术的发展趋势及带来的启示。     

复合材料加筋壁板有限元建模与强度分析

运用基于工艺的“laminate modeler”模块创建了复合材料铺层和加筋层合板的三维有限元模型.介绍了一种体单元与壳单元节点融合的方法.以不同的相对节点间距对加筋层合板模型进行了有限元网格划分,采用结构最大Von Mises应力作为标准进行了收敛性分析,得到了一个可适用于其他类似加筋板模型网格创建的合理相对节点间距值1/72.应力计算表明,集中载荷作用下复合材料加筋壁板的初始损伤发生于第八铺层材料主方向的2方向,损伤模式为基体拉伸开裂.发生初始损伤时加筋板结构的极限载荷为75 N.应力集中区较小,且主要分布于载荷作用点附近.集中载荷作用下加筋板的承载效率较低.     

复合材料帽形加筋结构稳定性研究

建立了复合材料帽形加筋结构的参数化有限元模型,给出了两种进行层板结合处的模拟计算方法,通过计算得到了模型的屈曲载荷并总结了加筋结构几何参数对结构稳定性的影响,给出了模型的收敛性分析,对比了模型网格密度对于计算结果的影响,找到最佳的网格密度,提高了模型计算的效率和准确性,为实际的结构设计提供了重要参考,为结构分析提供了依据。     

复合材料薄板冲击后压缩性能研究

原有的冲击后压缩试验夹具无法防止薄板的整体失稳,为了获得正确的破坏模式,通过有限元分析设计了新的试验夹具。试验证明了新夹具的有效性,没有改变试件原有的应力状态,可以获得与标准试验相同的破坏模式。对比了不同铺层比和不同材料复合材料薄板的冲击后压缩性能。试验结果表明铺层比对冲击后压缩强度的影响很大,不同铺层比层合板的冲击后压缩破坏应变基本一致,织物铺叠层合板的CAI性能略与单向带铺叠的层合板差别不明显。