机身复合材料加筋板壳的稳定性及强度分析系统

随着先进复合材料在飞机主承力结构（如机身结构）中的大量应用,工程上迫切需要大型复合材料加筋板壳的快速建模打样计算、稳定性（刚度）和强度分析的理论和程序支持。基于稳定性理论,并综合复合材料任意加筋板壳有限单元和复合材料层合板壳失效理论等方面的成果,开发了一个机身复合材料加筋板壳结构的稳定性及强度分析程序(CSSAP)。该程序系统不仅可以进行复合材料（加筋）板壳的线性稳定性和强度分析,还可进行非线性稳定性和强度分析;可对较粗的网格划分,得到临界屈曲应变和后屈曲时的应力。通过一些算例与文献结果的对比,表明本程序系统能够满足工程上的精度要求。并且,通过对实际机身一个典型复合材料加筋板壳的计算,表明本程序系统也可用于飞机工程复杂结构的分析。     

碳/碳复合材料室温和700 ℃面内剪切疲劳试验

为了研究高温环境碳/碳复合材料面内剪切疲劳特性,以含防氧化涂层的[±45] 4S 铺层碳/碳复合材料为研究对象,开展了 室温和700 ℃下的拉/拉疲劳试验。结果表明：碳/碳复合材料面内剪切剩余刚度变化呈横向的“S”形,对比室温环境,在700 ℃下 碳/碳复合材料面内剪切疲劳在中期损伤时的刚度降低趋势更为明显,在室温时发生疲劳断裂的剩余刚度为初始刚度的82%,而 在700 ℃下则降低至初始刚度的68%;在室温环境下碳/碳复合材料在33%和66%循环数后的面内剪切剩余强度分别为初始强度 的95.20%和85.70%,当温度升高为700 ℃时,分别为96.43%和85.59%。基于损伤因子的刚度和强度表征,考虑温度、应力水平的 影响,建立了碳/碳复合材料剩余刚度、剩余强度模型,较好地拟合了试验数据,高精度地获得了室温和700 ℃下碳/碳复合材料面 内剪切疲劳剩余刚度、剩余强度理论曲线,为后续复杂碳/碳复合材料结构件疲劳寿命预测提供了重要数据。     

复合材料层板在多次冲击下的剩余刚度衰退模型

本文根据多次冲击的实验规律，将复合材料层板的性能视为随机变量，建立了剩余刚度的衰退理论。给出了确定剩余刚度概率分布的计算公式，推导出刚度与强度以及寿命的关系，并用相关试验进行了验证。     

复合材料层压板压缩剩余强度分析

为了对复合材料含孔层压板的压缩剩余强度进行快速、精确地评估,采用了有限元渐进损伤剩余强度分析方法。使用Tsai-Wu准则作为强度判据,使用Abaqus用户子程序USDFLD对破坏的单元进行刚度折减。单元的刚度折减采用材料性能退化的方法实现。对复合材料含孔层压板进行有限元渐进损伤分析,得到了含孔层压板的破坏过程、破坏载荷和剩余强度,以及不同角度铺层的主要破坏类型。通过对复合材料含孔层压板压缩剩余强度的有限元分析数据与试验数据对比研究发现,使用Abaqus用户子程序USDFLD的有限元渐进损伤剩余强度分析方法得到的分析结果与试验结果非常接近。试验数据和有限元分析数据验证了Abaqus用户子程序USDFLD和刚度折减方法的正确性以及渐进损伤剩余强度分析结果的精确性。     

复合材料层压板疲劳性能评估的模型和方法

复合材料层压结构的单轴和多轴疲劳性能研究已在表征模型和方法等方面取得了显著进展。针对纤维增强复合材料层压板疲劳性能的分析预测,综述了疲劳损伤演化的曲线模型、剩余刚度模型、剩余强度模型、疲劳模量模型和S–N曲线模型的研究进展,对疲劳失效判据和疲劳寿命预测的模型和方法进行了总结和分析,并就疲劳研究的不足进行了综合阐述。研究表明,疲劳损伤演化和寿命预测的理论模型多为宏观唯象模型,很少涉及微细观损伤形式和机理;针对多向层合板寿命预测的有限元方法虽然具有广泛适用性,但是还不足以模拟复合材料的真实损伤路径和历程。在此基础上,对后续复合材料疲劳损伤及寿命研究的重点方向进行了展望。     

2.5维机织复合材料疲劳寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的2.5维机织复合材料,建立了疲劳寿命预测方法.该方法主要包括单胞模型、疲劳失效判定准则和材料性能退化方法3部分.选取单胞模型为研究对象,利用三维有限元技术进行应力分析;引入改进的三维Hashin疲劳失效准则和Mises准则作为纤维束和树脂基体的疲劳失效判据;采用刚度性能突降准则描述疲劳失效后的材料性能,采用考虑纤维体积分数影响的剩余刚度和剩余强度退化模型描述失效前材料的性能.通过疲劳寿命预测值与试验值的对比,验证了疲劳寿命预测方法的有效性.研究表明:经向拉-拉疲劳寿命随经纱纤维体积分数增大而增加,纬向拉-拉疲劳寿命受纬纱纤维体积分数影响较小.      

考虑编织角动态变化的3维编织碳/碳复合材料高温剩余刚度模型

为研究3维编织碳/碳复合材料在高温环境下的疲劳特性,建立了一种编织角与循环数相关的编织角动态变化模型,将 其引入考虑温度的单向复合材料剩余刚度模型中,根据应力、编织角的变化以及温度等因素的影响,建立了3维编织复合材料高 温疲劳剩余刚度模型。在700 ℃的大气环境下,对添加抗氧化涂层的3维编织碳/碳复合材料进行了拉-拉疲劳试验,获取了剩余 刚度、剩余强度以及试验段长度等参量。结果表明：在700 ℃下3维编织碳/碳复合材料在拉-拉疲劳加载初期的剩余刚度显著提 高,然后保持稳定,在接近疲劳寿命时突降;剩余强度经10 5 循环后比初始强度提高了19.75%;在疲劳过程中的迟滞回线面积随着 循环数的增加逐渐增大;高温剩余刚度模型对700 ℃下剩余刚度试验数据拟合度较高,且通过编织角动态变化模型求得的不同循 环数下编织角模拟值与试验值的误差小于5%。     

单向碳/碳复合材料高温疲劳试验研究

为了研究单向碳/碳的高温疲劳特性,从疲劳损伤力学出发,提出了考虑温度、氧化速率的碳/碳复合材料剩余刚度、剩余强度模型,并开展了碳/碳复合材料[0]16单向板试验件在室温、有涂层700℃和无涂层700℃的拉/拉疲劳试验和剩余强度试验。试验结果表明:单向碳/碳复合材料的剩余刚度曲线呈倒"S"形,材料的刚度退化存在三个阶段;单向碳/碳复合材料在室温和有抗氧化涂层700℃的疲劳加载初期和末期存在刚度突降,中期的刚度无明显退化;单向碳/碳复合材料在室温的疲劳刚度退化小于10%,而有抗氧化涂层单向碳/碳复合材料700℃的刚度退化超过30%;无抗氧化涂层单向碳/碳复合材料在疲劳中期存在明显刚度退化,末期无刚度突降。模型的拟合结果表明:复合材料高温剩余刚度、剩余强度模型能够很好地预测单向碳/碳复合材料在室温和700℃的剩余刚度、剩余强度变化。     

复合材料闭剖面加筋薄壁梁刚度系数计算分析

复合材料的可设计性为通过弹性剪裁来获得想要的变形模式带来了优势,其结构的耦合特性如拉扭耦合和弯扭耦合可以利用复合材料的各向异性来实现。以薄壁壳结构力学理论为基础,采用多种理论方法研究分析正交各向异性壳体本构关系,给出适合复合材料层压板矩形闭剖面薄壁梁截面的刚度系数解析表达;采用逐阶近似方法,完整设计复杂闭剖面的刚度系数数值算法;针对两种典型的复合材料铺层的矩形闭剖面梁截面布局构型,进行刚度特性的计算分析与讨论,获得铺层角度对复合材料薄壁梁弯曲、扭转及弯扭耦合刚度特性的定量结果。对分析设计闭剖面薄壁结构刚度条件具有应用价值。     

一种预估复合材料钉-孔挤压强度与刚度的方法

基于累积损伤理论对金属-复合材料单钉连接件强度和刚度进行研究。分析层合板钉孔挤压损伤后剩余刚度的变化规律,提出在挤压变形和强度计算中,针对基体和纤维压缩失效,采用相关模量先突减、然后逐渐提升的刚度修正方法。分析获得钉-孔挤压区基体和纤维压缩失效后的材料刚度(模量)参数随压缩应变量变化的规律,用来模拟连接结构的挤压强度和刚度行为,与试验结果相吻合。     

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

复合材料层合板低速冲击损伤研究

复合材料具有比强度高、比刚度高等优良特性,因此被广泛应用于航空航天结构中。但是复合材料结构抗冲击性能差,当结构在制造和使用过程中受到外来冲击后,会造成多种形式的损伤,降低其承载能力。本文采用数值计算和试验相结合的方法,研究铺层顺序对复合材料层合板冲击后剩余压缩强度的影响。计算结果表明,当层合板较薄时,调整铺层顺序对层合板冲击性能的影响很小;随着层合板厚度逐渐增加,调整铺层顺序后,层合板冲击接触力和剩余压缩强度值变化越大;在层合板总厚度和各方向单层比例一定的情况下,将0°层靠近内侧铺设能得到较高的剩余压缩强度值。     

复合材料挖补修理结构渐进损伤分析

采用材料弹性系数的刚度退化模型分析了复合材料挖补结构的极限强度。基于Mayes模型提出了一种复合材料层合板的刚度退化方法,以带中心孔拉伸试件为对象,在完成有限元网格划分与单元选取的适应性研究后,使用复合材料层压板挖补试验件进行了渐进损伤分析方法的有效性验证。开展了挖补结构的渐进损伤分析和挖补参数对极限强度的影响研究。研究结果表明,采用层合单元的有限元模型和基于材料弹性系数的刚度退化模型,可以作为复合材料修补结构强度的基本分析模型,计算效率和分析精度能够满足工程分析需求,修补设计参数对修补结构强度的影响呈非线性。研究结果可以为复合材料层压板挖补修理设计提供参考。     

民用飞机复合材料舱门优化设计

复合材料因其具有比刚度大、比强度高、可设计性强等特点而被广泛应用到民用飞机结构上。针对宽体复合材料舱门设计方案,建立有限元模型进行初步分析,然后以刚度设计要求和强度设计要求为约束条件,对复合材料舱门结构的铺层比例进行了优化,达到了复合材料舱门的减重目的。优化后复合材料舱门的重量降低了10%以上,并且满足所有刚度和强度设计要求。本文所做研究为复合材料气密舱门减重提供了一种有效的方法,并且为类似结构的设计提出了参考建议,在工程上具有一定的指导意义。     

厚度对混合机织复合材料低速冲击和准静态横向压缩性能的影响

 将二维机织碳布和单向碳布预浸料按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点。本文试验研究了三个铺层结构相似,但总厚度不同的混合机织复合材料的低速冲击性能,采用超声波C扫描法记录了各层合板损伤面积,测量了剩余压缩强度,并进行了准静态横向压缩试验。通过试验分析本文认为,厚度增加会使层合板内部的超声波C扫描损伤面积增加,但并不会明显影响其剩余压缩强度。     

复合材料修补结构强度及寿命试验研究

为研究金属补片式复合材料修补结构的强度、疲劳性能及剩余强度性能,分析对比了单排及双排铆钉连接的金属补片式复合材料修补结构的破坏模式、静力破坏载荷、疲劳寿命及剩余强度,结果表明,双排铆钉连接的修补结构的强度、疲劳性能及剩余强度性能均优于单排铆钉连接的修补结构,研究结果可为铆钉连接的金属补片式复合材料修补结构强度及疲劳设计工作提供参考。     

复合材料层板冲击损伤特性及冲击后压缩强度研究

对两种材料体系(T300/QY8911和T300/5405)/铺层的复合材料层板进行三种支持条件(冲击点无支持、梁凸缘或长桁凸缘支持和肋凸缘支持)、六种冲击能量等级的冲击损伤特性及冲击后压缩强度试验研究。讨论了冲击能量、支持条件等与冲击损伤特性和剩余压缩强度的关系,研究结果表明,冲击表面凹坑深度和冲击损伤面积可用于表征复合材料冲击损伤,而基体裂纹长度不可以用于表征冲击损伤。且随着冲击点背面支持刚度的增加,冲击所造成的损伤随之减小。随着冲击能量的增加,冲击后压缩强度随之减小。在相同的冲击能量作用下,随着冲击点背面支持刚度的增加,冲击后压缩强度也随之增加。     

纤维自动铺放工艺制备单向罐外固化复合材料的拉-拉疲劳性能

纤维自动铺放工艺（AFP）制备罐外固化（OOA）复合材料中难以避免出现铺放缺陷如缝隙（Gaps）,影响复合材料的力学和疲劳性能。选取罐外固化预浸料IM7/CYCOM5320-1,采用自动铺放工艺制备正常（NDS）和预置缺陷（DS）复合材料,探讨了铺放缺陷对0°单向罐外固化复合材料拉-拉疲劳性能的影响,建立了疲劳寿命和剩余强度衰减模型。结果表明,相比于NDS罐外固化复合材料,DS的静态拉伸强度降低5.90%,拉伸模量降低6.54%;NDS和DS复合材料的疲劳寿命均随疲劳载荷的增大而减少,DS的疲劳寿命一直低于NDS;随着疲劳载荷的增加,二者的疲劳寿命相差越大,铺放缺陷的影响也越来越明显;NDS和DS复合材料在拉-拉疲劳测试前期的力学强度均维持平稳状态,达到一定疲劳周数后力学强度明显下降;应力水平越高,铺放缺陷对罐外固化复合材料的剩余强度影响越明显,而不同应力比下,缺陷对剩余强度的影响一致。     

SiC/TC4复合材料轴结构力学性能分析及试验验证

为了对连续纤维增强金属基SiC/TC4复合材料轴结构进行结构完整性研究,利用复合材料力学性能半经验公式、经典层合板理论与层合轴结构本构关系,建立与复合材料轴结构验证模型尺寸相同的有限元仿真计算模型,对连续纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的力学性能及响应进行预测与试验验证;并在验证的基础上对复合材料轴结构进行了力学性能进行了分析。结果表明:仿真计算结果与试验数值之间误差在5.7%以内,说明分析中使用的理论、方法与模型可靠;在复合材料轴结构总厚度4.5mm与铺层数不变的情况下,±45°交替铺层更有利于扭转刚度的提升,且复合材料层位于轴结构厚度的中间时,复合材料轴结构具有更高的结构效率。     

碳纤维增强复合材料结构阻尼性能研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对所应用结构的动态承载能力、可靠性和安全性有重要影响。复合材料阻尼机理复杂,很难采用理论方法研究。本文基于瞬态激励法原理,设计了悬臂梁振动试验,利用有理分式多项式法提取试样的模态频率和模态损耗因子。分别对603和603A两种树脂基体,各三种T300纤维铺层方向的复合材料试样进行了振动测试,获得了材料1 kHz以内的动刚度和阻尼特性。结果表明,基体材料组分和纤维铺层方向对碳纤维增强复合材料的结构刚度和阻尼性能有重要影响;603A基体的碳纤维增强复合材料具有较603基体材料更好的损耗因子。铺层方向对结构阻尼的影响主要是通过对结构刚度的影响而体现出来的,不同纤维铺层方向的复合材料试样刚度差别很大。