复合材料加筋板后屈曲承载能力工程分析方法

根据复合材料的力学特性,结合有限元理论和工程经验,提出了一种计算复合材料加筋板结构后屈曲承载能力的工程简化理论与方法,并以复合材料J型加筋板计算模型为例,从工程角度说明了计算后屈曲承载能力的思路与公式.利用该方法通过算例计算,将计算结果与实验结果进行对比,发现该种复合材料加筋板稳定性计算方法可以解决后屈曲的几何非线性带来的计算难度,能保持较高的精度,并可用于飞机结构设计的实际应用中.     

低速冲击下复合材料加筋板的损伤阻抗性能

为确定冲击能量、几何尺寸对低速冲击下复合材料加筋板损伤阻抗性能的影响,对3组工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。通过落锤式低速冲击试验,得到了试验件的接触历程、凹坑深度和分层面积等损伤特征。基于引入纤维断裂损伤的各向异性弹塑性理论建立了有限元(FE)模型,对试验件凹坑深度进行了模拟预测,模拟结果与试验结果吻合较好。研究表明,复合材料加筋板凹坑深度随冲击能量的变化曲线存在拐点,拐点后表面冲击部位出现纤维断裂。随着冲击能量的增大,试验件的最大接触力不断增大,而分层起始载荷及分层面积则变化不大。含1.5 mm深凹坑试验件对应的冲击能量和最大接触力随筋条或蒙皮厚度的增大而不断增大,而分层起始载荷仅随蒙皮厚度的增大而增大。      

曲线片型加筋壁板的稳定性优化设计

加筋板作为一种典型结构被广泛应用于航空航天领域,为进一步拓展直筋加筋板的设计空间,提出了一套基于ModelCenter设计优化环境、Catia和Abaqus的曲线片型加筋板优化设计框架.一方面,筋条曲线采用参数数目可变的等距剖分三次B样条插值函数,为曲筋加筋板提供了足够大的优化空间.另一方面,采用筋条加载端相聚和筋条垂直于板边2种方式来解决曲线片型加筋板的筋条加载问题,从而产生了一些新的曲筋加筋板布局形式.优化结果表明,对于单向载荷主导的加筋板,曲筋加筋板相对于直筋加筋板稳定性改善不大.但对于复杂组合载荷,曲筋加筋板获得了比直筋加筋板更好的稳定性.      

脱粘尺寸对复合材料单加筋板压缩性能的影响

为确定脱粘缺陷尺寸对轴压载荷下复合材料单加筋板屈曲和后屈曲特性的影响,对4组含不同尺寸脱粘缺陷的工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。试验中通过应变测量和超声C扫描等技术手段对试验件的屈曲及后屈曲过程中的变形和缺陷扩展情况进行了监测。基于ABAQUS软件建立了有限元分析（FEA）模型,采用LaRC03准则对复合材料层内损伤进行判定,采用胶层单元对界面脱粘损伤进行模拟,以几何扰动的形式引入失稳波形,利用FEA模型对试验件的屈曲和后屈曲过程进行了模拟。模拟结果与试验结果吻合较好,根据研究结果对试验件的失效过程和脱粘缺陷扩展机理进行了分析与探讨。研究表明,预制脱粘缺陷尺寸大小对试验件屈曲和后屈曲特性影响较大,对最终破坏模式影响不大。脱粘尺寸的增大会导致试验件承载能力的大幅降低,在复合材料加筋结构损伤容限设计中需要着重考虑。      

不同工艺成型复合材料加筋板轴压破坏机理分析

对受到边界约束的不同工艺成型复合材料加筋板进行了轴压试验和数值模拟,研究二次胶接和共固化工艺成型加筋板轴向压缩破坏机理。轴压试验中,通过应变计实时监测试验件局部屈曲,及时记录试验件初始声响载荷,通过断面观测分析结构破坏机理。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟结构后屈曲损伤渐进直至破坏过程。计算结果和试验结果相吻合,研究表明工艺对结构稳定性及承载能力没有显著影响,而加筋板构型影响较大。聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide,PMI)泡沫不影响结构失稳载荷及破坏载荷,但能延缓结构初始损伤的发生。二次胶接成型加筋板界面临近破坏才出现损伤,而共固化成型加筋板界面损伤出现较早且扩展缓慢,表现出更好的损伤阻抗特性。      

复合材料开孔层板压缩渐进损伤分析

首先,针对纤维增强复合材料开孔层板进行了压缩试验,通过微距数显设备、电镜扫描和X光扫描设备检测了加载过程中的渐进损伤和试验件最终破坏模式,观测了损伤起始和45°与90°铺层间的分层现象. 其次,将复合材料开孔层板失效分为层内失效和层间失效,基于细观损伤力学MMF3理论和界面胶层单元方法建立了开孔压缩损伤跨尺度分析模型.最后,应用该模型对开孔压缩损伤起始、损伤扩展和层板破坏模式进行了预测,获得了纤维和基体损伤起始位置、分层产生位置及扩展过程、最终的分层和压入破坏等计算结果.计算结果与试验结果获得了较好的吻合,表明该计算模型适用于分析复合材料开孔压缩渐进损伤问题.      

缝合复合材料可用性——简单层合板的基本性能

为了解决缝合复合材料在飞机结构中的应用问题,通过试验方法研究了缝合以及缝合方向对T300帘子布/QY9512单向层合板与正交对称层合板拉伸和压缩性能的影响,得到了T300帘子布/QY9512材料的部分基本性能常数.研究表明,缝合与缝合方向对这两种层合板的模量影响不大,但对单向层合板的泊松比影响较大,而且偏轴后缝合单向层合板的泊松比不满足偏轴转换关系.缝合及其方向对单向层合板的拉伸强度影响很大,而对压缩强度影响却不明显.缝合正交对称层合板中铺层的拉伸破坏机制与缝合单向层合板的破坏机制不同,因此不能用缝合单向层合板的拉伸强度作为正交层合板内铺层的强度极限.      

屈曲模态对含缺陷复材加筋板后屈曲的影响

某些结构类型的复合材料加筋板,由于一阶和二阶屈曲载荷十分接近,在压缩失稳时,相同的试验件会出现不同的失稳模态,并表现出明显不同的后屈曲承载能力。就此问题,进行了试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过影像云纹法和超声C扫技术监测试验件的失稳模态及缺陷扩展情况,以确定不同失稳模态对相同试验件后屈曲承载能力的影响。基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用虚拟裂纹闭合技术（VCCT,Virtual Crack Closure Technology）模拟含预置脱胶缺陷的筋条-蒙皮界面,将失稳波形以几何扰动的形式引入后屈曲分析。通过分析缺陷前缘应变能释放率,研究两种模态下缺陷扩展特性。计算结果与试验结果相吻合,研究表明两种模态下缺陷的扩展特性明显不同,导致该型加筋板在3个半波失稳模态下的后屈曲承载能力明显高于2个半波模态下的后屈曲承载能力。     

分层缺陷对复合材料层板压缩性能的影响

基于影像云纹法、表面应变测量、分级加载超声C扫描3种观测手段,对含有不同位置、尺寸、数量预制分层缺陷的复合材料层板进行了压缩试验研究,对试验中产生的子层屈曲、分层扩展、层板失稳等现象进行了细致的观察、对比与联系.结合试验结果,总结了3种不同的分层扩展模式,并基于分层扩展模式分析了子层屈曲、层板失稳等现象的产生机理.结合上述试验现象,通过比较临界失稳应力、最终破坏应力、分层纵向扩展范围等试验结果,系统地分析了分层缺陷对复合材料层板压缩性能的影响.研究结果可为复合材料结构损伤容限设计提供依据.      

胶粘剂性能对挖补修理层合板拉伸性能的影响

利用非线性三维有限元模型,对挖补修理复合材料层合板的拉伸破坏行为进行研究,计算结果与试验结果吻合良好,证明了所建模型的有效性.在此基础上,分析了挖补修理层合板的拉伸破坏机理,以及胶粘剂力学性能对挖补结构拉伸性能的影响.最终,总结出挖补修理复合材料结构胶粘剂选用原则以及理想胶粘剂的性能特征.研究结果可为复合材料结构可修理性设计,以及挖补类复合材料层合板端面对接用胶粘剂的研制提供参考.     

环氧树脂基复合材料加筋板结构吸湿行为研究

环氧树脂基复合材料的性能对湿热环境敏感,掌握该材料所组成结构的吸湿行为对其实际应用具有重要意义。通过以碳纤维环氧树脂基复合材料层合板的non-Fickian吸湿模型为基础,建立环氧树脂基复合材料加筋板结构的non-Fickian吸湿模型,在70℃/85% RH湿热条件下开展加筋板结构的吸湿实验,对所建立模型进行验证,并与已有的加筋板吸湿模型进行对比,通过所建立模型给出了加筋板沿厚度方向的吸湿量分布规律。结果表明:所建立加筋板non-Fickian吸湿模型的计算结果与实验结果吻合良好,在整个吸湿阶段相对误差小于5%,模型的预测精度高于传统Fick模型。所建立的加筋板non-Fickian吸湿模型可用于环氧树脂基复合材料加筋板层合结构吸湿量的准确预测。      

激光焊接带口盖加筋壁板剪切性能分析

针对双光束激光焊接带口盖加筋壁板开展了剪切稳定性试验,分析了带口盖加筋壁板在受剪状态下的屈曲载荷、屈曲形式、后屈曲承载能力及破坏形式。建立了壁板与剪切夹具的有限元模型,对壁板的剪切失稳形式及后屈曲承载能力进行仿真计算,并探究了口盖对加筋壁板的承载能力、应力变化及面外变形的影响。结果表明:带口盖加筋壁板在剪切状态下,当屈曲比达到1.95时,加筋壁板进入后屈曲,最终破坏载荷约为屈曲载荷的2.98倍。仿真与试验得到的载荷-位移曲线较为吻合,有限元法得到的屈曲载荷和破坏载荷与试验平均值误差分别为8.7%、1.02%。开口壁板的承载能力及刚度均下降,螺栓紧固口盖对加筋壁板的应力与面外变形影响较大。      

侧边边界条件对铝合金加筋板轴压性能的影响

工程实际中,飞机加筋板结构受到梁或墙限制而呈简支状态,侧边受约束的高强铝合金加筋板在轴向压缩时,表现出与侧边自由加筋板不同的压缩特性。本文就此问题进行了试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过影像云纹和应变计监测试验件屈曲及后屈曲过程。基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用含韧性损伤和剪切损伤的Johnson-Cook本构模型,研究不同侧边约束下加筋板轴压特性。计算结果与试验结果相吻合,研究表明:侧边简支加筋板蒙皮同时发生失稳,而侧边自由加筋板侧边蒙皮首先发生失稳,侧边自由加筋板失稳载荷虽远低于侧边简支加筋板,但其结构破坏强度仅下降约9%。      

考虑壁板刚度匹配的大型飞机复合材料机翼气动弹性优化设计

针对大型飞机复合材料机翼,发展了一种考虑壁板刚度匹配的气动弹性优化设计方法。基于敏度算法,以结构质量最小化为目标,以壁板刚度匹配、颤振速度、翼尖变形、设计许用值、工艺性等为约束,在严重载荷状态下设计复合材料机翼结构,研究不同壁板刚度匹配要求对于优化设计结果的影响,并与传统优化设计结果进行比较。结果表明:考虑壁板刚度匹配需要付出一定的结构质量,但对局部稳定性设计、损伤容限设计和大型复合材料壁板制造有利;壁板刚度匹配设计范围对于优化设计结果影响显著,需要根据设计和制造要求合理确定;压缩设计许用值是影响复合材料机翼气动弹性优化设计的关键约束。      

A ballistic limit equation for hypervelocity impacts on composite honeycomb sandwich panel satellite structures

During a recent experimental test campaign performed in the framework of ESA Contract 16721, the ballistic performance of multiple satellite-representative Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP)/Aluminium honeycomb sandwich panel structural configurations (GOCE, Radarsat-2, Herschel/Planck, BeppoSax) was investigated using the two-stage light-gas guns at EMI. The experimental results were used to develop and validate a new empirical Ballistic Limit Equation (BLE), which was derived from an existing Whipple-shield BLE. This new BLE provided a good level of accuracy in predicting the ballistic performance of stand-alone sandwich panel structures. Additionally, the equation is capable of predicting the ballistic limit of a thin Al plate located at a standoff behind the sandwich panel structure. This thin plate is the representative of internal satellite systems, e.g. an Al electronic box cover, a wall of a metallic vessel, etc. Good agreement was achieved with both the experimental test campaign results and additional test data from the literature for the vast majority of set-ups investigated. For some experiments, the ballistic limit was conservatively predicted, a result attributed to shortcomings in correctly accounting for the presence of high surface density multi-layer insulation on the outer facesheet. Four existing BLEs commonly applied for application with stand-alone sandwich panels were reviewed using the new impact test data. It was found that a number of these common approaches provided non-conservative predictions for sandwich panels with CFRP facesheets.     

胶铆混合修补铝合金板的疲劳性能研究

针对胶铆混合连接方式单面修补铝合金板的疲劳性能,设计了未修理、铆接修理、胶接修理和胶铆修理4种不同形式的试验件,对其进行了疲劳试验。建立了试验件的有限元模型,得到了结构应力分布,获得了裂纹长度-裂纹尖端应力强度因子（SIF）曲线,并与试验结果进行了对比。结果表明:胶接修理和胶铆修理能有效降低裂纹处应力水平及裂纹扩展速率,且相对于未修理试验件疲劳寿命分别提升184.3%和197.3%;胶铆修理中铆钉能抑制胶层脱黏,相比胶接修理方式修理质量更可靠有效;有限元分析（FEA）结果与试验数据吻合良好,SIF误差基本保持在8%以内。      

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击后的压缩

对含低速冲击损伤的Nomex蜂窝夹芯板试件进行了压缩实验,用X光技术、热揭层技术和外观检测等对压缩破坏损伤发展的过程进行了研究,分析了压缩破坏机理,结果表明:剩余压缩强度随冲击能量的增加而减少;夹芯板的压缩破坏主要由前面板控制,前面板发生局部屈曲的载荷与板的压缩破坏载荷几乎相等;表面玻璃布不仅能减少冲击损伤,而且能使板内的损伤显露在表面,容易让人发现.