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。     

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。     

考虑可制造性的变刚度复合材料加筋壁板的优化设计

由于变刚度复合材料具有更大的设计空间，能更充分发挥复合材料各向异性的优势，研究其优化设计方法越来越重要。本文首先考虑了工形长桁加筋壁板变刚度复合材料的可制造性，并通过自动铺丝工艺试验获得了纤维的变角度极限范围。研究了壁板面板的铺放角度对加筋结构屈曲强度的影响，然后利用Python编程，结合Abaqus有限元软件通过遗传算法对工形长桁加筋壁板的面板铺层设计进行了优化。研究发现，纤维角度变化宜控制在20°范围内，当面板与筋条同时承受压缩载荷时，面板为纯0°铺层的加筋结构的屈曲强度比纯90°铺层时要低；遗传算法稳定且收敛性好，通过优化后的结果发现，纤维角度集中在60°～65°时，加筋结构的屈曲强度最高。变刚度复合材料可提高加筋壁板屈曲性能，应用前景广阔。     

一种新型泡沫填充T型加筋壁板液体成型共固化工艺研究

选取典型复合材料T型加筋壁板结构件,针对其真空辅助液体成型工艺共固化T型加筋壁板铺贴过程中加筋区填充困难、工艺复杂、不可重复等问题,提出了一种针对阴模成型的新型泡沫填充T型加筋壁板共固化成型工艺方法,采用泡沫加筋芯与纤维铺覆导向板,实现了加筋区尺寸精确控制,解决了阴模加筋区填充困难,表面成型质量差的问题,并在注胶过程中引入钢制均压板,采用单面模具得到双面光滑的T型加筋壁板结构件,研制出的加筋壁板成型质量良好,研究结果对壁板类结构低成本整体成型技术在民机上的应用与发展具有重要参考价值。     

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。     

复合材料蒙皮/长桁壁板结构优化设计

针对复合材料蒙皮、长桁组成的典型刀型加筋结构,提出了一个两级三层优化方法。第1级壁板结构的质量为目标函数,采用改进的可行方向法对壁板结构进行尺寸优化。第2级以壁板结构的屈曲临界载荷作为目标函数,采用多层复合形法对壁板结构进行加筋尺寸优化和遗传算法对复合材料蒙皮进行铺层顺序优化。最后通过算例验证了优化策略的合理性。     

T型加筋壁板共固化技术研究

在系统梳理加筋壁板共固化工艺的基础上,以T型加筋壁板为研究对象,针对压力传导不均匀、蒙皮凹陷、内部质量控制等问题,通过改进长桁制造工艺、优化预压实参数、调整芯模配合方式、简化长桁定位方式等措施,进一步完善了T型加筋壁板共固化工艺的技术细节。所得制件表面平整、内部质量好、长桁轴线度准确。     

基于自适应配合模具的复合材料加筋壁板共胶接技术研究

为解决大型复合材料加筋壁板筋条/蒙皮一体化成型过程中的型面配合问题,提出一种基于自适应配合模具的复合材料加筋壁板共胶接方法。以固化后的蒙皮外形面作为成型面,将未硫化的橡胶粘贴在钢模上,硫化形成带有配合型面自适应模具。该模具能够保障加筋壁板共胶接过程中筋条与蒙皮精确配合。通过力学性能测试,验证了该工艺方法不会对复合材料蒙皮的力学性能带来损失。同时通过对橡胶材料的硬度和压缩变形率进行测量,验证了橡胶能够满足自适用配合模具要求。此外,试验结果还表明,基于本工艺方法制造的试验件内部无分层脱粘问题。     

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.     

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。     

冲击损伤对复材壁板强度性能影响的试验研究

为了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,规划轴压试验对典型复材加筋壁板进行带损伤和不带损伤的对比试验,并考虑了不同筋条截面形状对抗冲击的影响。结果表明,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。     

整体加筋壁板的破损安全特性与断裂控制分析

用有限元和断裂力学方法分析大型整体机翼下壁板的破损安全特性。对一个九桁条铝合金整体加筋板,裂纹从断裂筋条下向两侧均匀扩展的开裂形式,进行了应力强度因子和剩余强度计算,并和另一个具有相同构形的铆接加筋板的结果进行对比。当裂纹长度在两倍桁条间距以内时两种加筋板的剩余强度水平相当。但是当整体壁板中的裂纹穿过外侧相邻桁条时,整体桁条的止裂能力逐渐减弱。研究对整体壁板蒙皮胶接止裂条的断裂控制措施及有限元建模分析方法,描述止裂条胶层局部脱粘的处理方法和迭代过程。止裂条材料分别选用了钛合金和单向层压复合材料。计算结果说明胶接止裂措施能显著提高整体加筋板的破损安全性能。     

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。     

舰载机壁板剪切后屈曲承载能力预测与试验验证

舰载机着舰撞击对机翼盒段产生巨大的扭矩,蒙皮以剪切形式承受扭矩,这是机翼壁板的重要设计工况。为准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力,采用MSC.NASTRAN软件MRIKS弧长法,将线性屈曲分析的一致模态缺陷位移作为扰动引入后屈曲分析。考虑材料和几何双重非线性,对整体加筋壁板剪切试验件的后屈曲破坏过程进行模拟、对承载能力进行预测。根据剪切试验结果,进行对比分析。结果表明：有限元模拟的加筋板初始屈曲发生在蒙皮上,长桁足够大的相对刚度使得长桁与蒙皮连接线上出现屈曲节点,随着载荷增大,加筋壁板整体"坍塌",与试验现象一致。有限元分析（FEA）得到的初始屈曲载荷与试验结果的误差为1.25%,预测的极限承载载荷与试验破坏载荷的误差为2.4%。表明引入缺陷后的MSC.NASTRAN弧长法非线性后屈曲计算能够准确预测加筋壁板剪切后屈曲承载能力,为加筋壁板剪切试验和强度设计提供了分析方法。     

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“J”型加筋壁板成型工艺研究

采用高温固化的碳纤维预浸料,通过共胶接成型工艺,研制了一种复合材料"J"型加筋壁板结构件。此类结构件强度和刚度均能满足设计技术要求,解决了共胶接工艺脱模困难的问题,达到了预期的效果,可为加筋壁板类复合材料组合件成型提供参考。     

铝锂合金加筋壁板剪切屈曲性能

为研究剪切载荷下2A97铝锂合金加筋壁板的屈曲与后屈曲行为,设计了加筋壁板和夹具,完成了壁板的剪切试验;得到了加筋壁板的失稳载荷、破坏载荷以及破坏模式;采用受剪板屈曲与张力场理论计算了加筋壁板的剪切屈曲失稳载荷;建立有限元数值计算模型对加筋壁板屈曲行为进行计算分析,并将数值结果与试验结果对比。结果表明：加筋壁板的屈曲模式为筋条间蒙皮的局部屈曲;加筋壁板的破坏模式为沿加载对角线方向蒙皮的凸起,破坏原因为蒙皮的塑性变形、撕裂以及筋条的扭转变形;利用张力场理论可以得到较准确的屈曲失稳载荷,与试验误差为6.56%;数值模拟得到的屈曲与破坏模式与试验吻合,失稳载荷和极限载荷与试验结果误差分别为1.22%和11.52%。     

典型飞机壁板结构的抗屈曲优化设计与试验验证

加筋壁板是飞机机身和机翼中常见的典型承力结构,其在轴压和机身弯矩载荷作用下极易发生屈曲失效,严重制约飞行器安全性能与服役周期。飞机结构静强度校核时多采用经验公式进行工程计算,其中加筋壁板结构承载能力的工程计算与机身框结构端部支持系数的选取密切相关。现有飞机型号研制中端部支持系数的选取通常较为保守,结构安全裕度大、质量冗余,阻碍了飞行器轻量化水平的进一步提升。为此,首先基于欧拉长柱失稳理论,建立了基于切缝法的典型飞机壁板结构端部支持系数仿真计算模型;同时深入分析了端部支持系数与加筋壁板结构和支撑框段的耦合作用关系;进一步地,分析了框、长桁等结构特征参数对端部支持系数的影响规律,并分别开展了框、长桁-蒙皮以及框-长桁-蒙皮协同优化的飞机壁板结构抗屈曲设计;最后,基于增材制造缩比样件和轴压屈曲试验,验证了典型壁板结构抗屈曲优化设计方法的有效性。所建立的仿真分析模型和优化设计方法实现了飞机壁板结构抗屈曲性能的有效提升,对进一步提升飞机性能指标具有重要意义。     

复合材料加筋壁板剪切屈曲工程算法验证研究

通过某型飞机的一组典型试验件的剪切试验获得的相关试验结果,使用正交各向异性矩形层压平板的剪切屈曲载荷计算公式,选用相关计算参数,并将工程理论计算结果与试验结果进行对比。研究结果发现,对文中典型试验件进行理论计算时,板元参数中当蒙皮铺层厚度选择不考虑加筋桁条底脚而取原铺层厚度、宽度选择考虑加筋桁条底脚支撑作用,计算的最终五组结果与试验值绝对误差均最小,并且小于5%。