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。     

复合材料机身壁板的强度分析与试验验证

复合材料在大型客机机身主承力结构应用是近年来的发展趋势，通过分析与大型壁板试验结合的方式研究了复合材料机身壁板的静力承载能力，以及疲劳与损伤容限特性。采用理论公式、半经验公式、有限元模态分析研究了蒙皮的屈曲载荷、壁板的承载能力。依靠创新的机身壁板多轴载荷试验系统，模拟机身壁板的实际受载情况，实现充压载荷、拉伸/压缩、剪切载荷的独立施加与组合施加。通过静力试验验证蒙皮屈曲的工程及有限元分析方法和壁板的剩余强度承载分析方法。引入预埋缺陷、BVID、VID冲击损伤，通过试验研究了损伤对应变分布的影响，并通过疲劳、损伤容限试验，验证了壁板的设计以及损伤的无扩展特性。     

基于RADIOSS的机身壁板轴压稳定性分析

基于HyperWorks平台对某型支线飞机机身壁板轴压试验件建立有限元模型,利用Altair RADIOSS求解器对试验件稳定性进行线性和非线性屈曲分析,并与工程方法计算结果及机身壁板轴压试验件试验结果进行比较。结果表明,有限元线性屈曲分析结果与试验测试结果相近,工程方法计算结果较为保守且与试验测试结果相差较大;有限元非线性屈曲分析结果与试验结果相差较大且分析结果较为保守。分析结果可为某型支线飞机机身壁板结构的研制设计提供借鉴和参考。     

初始几何缺陷对加筋结构后屈曲分析的影响

采用考虑几何和材料双重非线性的弧长法分析了受初始几何缺陷影响的加筋壁板在轴压载荷作用下的后屈曲破坏过程.在分析中探讨了初始几何缺陷的大小及形态对加筋壁板极限承载能力和破坏模式的影响.计算结果表明,当初始缺陷的最大位移值超过蒙皮厚度的0.1倍时,将影响结构的承载性能.小于蒙皮厚度的0.1倍时,初始缺陷的形态和大小对结构的承载能力不产生明显影响,但影响结构的最终破坏模式.在后屈曲分析中可以以线性屈曲特征值法计算得到的一阶屈曲模态为初始缺陷的模式,初始缺陷最大位移值取蒙皮0.005~0.1倍之间.     

复合材料蒙皮壁板的非线性屈曲分析

高空长航时无人机的发展给蒙皮壁板结构的轻质设计提出了更高的要求。采用复合材料并基于后屈曲承载能力进行设计是一种可行的设计途径,而复合材料蒙皮壁板的非线性屈曲分析是设计中的关键问题。文中采用Riks弧长法,以长航时无人机3个部位的复合材料蒙皮加筋壁板为例,分析得到了壁板的屈曲特性和后屈曲损伤演变过程。3个关键部位壁板的线性屈曲载荷和后屈曲失效破坏载荷的对比表明,复合材料蒙皮壁板在发生屈曲之后,仍有很强的承载能力。     

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。     

金属加筋壁板蒙皮有效宽度分析方法

民用飞机机身、机翼的壁板、气密框以及翼梁结构为典型的壁板加筋结构,在承受压缩载荷时需考虑成由蒙皮与筋条组成的复合剖面共同承载,其通常为中长柱,工程分析时常取30倍的蒙皮厚度作为蒙皮有效宽度。取30倍的蒙皮厚度作为蒙皮有效宽度存在着一定的保守性,介绍了Von Karman迭代分析方法、有限元分析方法及常用的工程分析方法。在加筋壁板结构的轴压承载能力计算中,蒙皮有效宽度的确定是较为关键的设计因素,对飞机机身、机翼结构效率的提高和重量控制至关重要。随着加工能力的提升,虽然部分壁板结构由组合式逐渐过渡到了整体机加形式,但所述方法仍有一定的借鉴意义,对目前国内外常用的金属加筋壁板有效宽度的工程分析方法进行了研究,并结合有限元分析对工程分析方法进行了验证。     

先进复合材料薄壁加筋板轴压屈曲特性及后屈曲承载性能

对国产先进复合材料薄壁加筋板结构进行了轴向压缩试验.通过监测典型位置的应变和离面位移,研究了该型加筋板的轴压屈曲及后屈曲性能.应用工程算法对试验件的蒙皮初始屈曲载荷和屈曲模态进行了预测,试验结果表明,该型加筋板的轴压屈曲形式依次是筋条间蒙皮的初始屈曲、部分蒙皮的二次屈曲以及4根筋条的柱屈曲;蒙皮发生屈曲后,蒙皮承担的部分载荷转移至筋条,使筋条成为主要承力部分,当筋条发生断裂后,试验件迅速整体破坏;其破坏载荷平均值为482.67 kN,屈曲载荷的平均值为204 kN,前者为后者的2.37倍,说明该型结构具有很大的后屈曲承载空间.     

剪切载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮屈曲

对复合材料加筋壁板在剪切载荷作用下的稳定性进行研究,应用PATRAN & NASTRAN软件对加筋壁板建立有限元模型进行屈曲分析,将工程分析方法四边简支条件下的蒙皮剪切屈曲载荷计算结果与加筋惯性矩刚好满足最小惯性矩要求的加筋壁板蒙皮剪切屈曲有限元仿真结果进行对比,结果吻合良好.此有限元模拟方法所得结果可以为蒙皮剪切屈曲系数的确定提供参考.改变加筋壁板加筋尺寸,研究剪切载荷作用下不同加筋尺寸对加筋壁板蒙皮屈曲的影响.     

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%。     

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。     

铝锂合金机身壁板拉伸承载能力对比分析

本文通过有限元计算及试验两种方法对比分析了铝锂合金蒙皮和挤压铝锂合金长桁组成的机身壁板与铝锂合金蒙皮和钣弯7000系列高强度铝合金长桁所组成的机身壁板的抗拉能力。通过分析对比得到了两种机身壁板的抗拉承载能力,并比较出了两种壁板的抗拉承载能力强弱。分析结果表明,铝锂合金蒙皮和挤压铝锂合金长桁组成的机身壁板抗拉承载能力高于等截面的铝锂合金蒙皮和钣弯7000系列高强度铝合金长桁所组成的壁板。     

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。     

机头壁板结构设计基础

民用飞机的机头壁板设计在机体结构设计中具有典型性和特殊性。介绍了民用飞机机头壁板设计中需掌握的关键技术,分别阐述壁板在机身整体传载承载中的作用以及长桁的选型、蒙皮钉问屈曲概念等,通过基本的强度分析计算方法使得结构设计量化、参数化。重点介绍非密框区狭长板屈曲分析过程,提供一套新的张力场计算方法并实际用于壁板强度校核。     

铝锂合金机身壁板抗压能力对比

本文通过有限元计算及试验两种方法对比分析了铝锂合金蒙皮和挤压铝锂合金长桁组成的机身壁板与铝锂合金蒙皮和钣弯7000系列高强度铝合金长桁所组成的壁板的抗压能力。通过分析验证得到了两种机身壁板的抗拉承载能力,并比较出了两种壁板的抗压承载能力强弱。分析结果表明,铝锂合金蒙皮和挤压铝锂合金长桁组成的机身壁板抗压承载能力高于等截面的铝锂合金蒙皮和钣弯7000系列高强度铝合金长桁所组成的壁板。     

机身壁板内压载荷试验研究

内压载荷是一种非常重要的重复性载荷,对机身结构疲劳和损伤容限特性产生很大影响。承受内压载荷机身壁板边界模拟困难,边界模拟的优劣决定试验件过渡区范围的大小,甚至影响试验区的应力分布和大小。为了获得承受内压载荷机身壁板更加真实的应力响应,给出一种机身壁板内压载荷试验新方法,该方法采用"D"型夹具模拟机身筒段直边结构,采用"弓"型夹具模拟机身筒段曲边结构,采用气密端板模拟机身筒段的端部结构;按照边界模拟要求,设计制造试验装置和试验件,并完成内压载荷试验。结果表明:试验件试验区蒙皮的周向应力、纵向应力明显高于过渡区蒙皮周向应力、纵向应力;试验区蒙皮周向应力、纵向应力和法向位移与理论计算结果吻合,该试验方法满足工程精度要求;该研究可为民机机身壁板内压载荷结构选型试验提供参考。     

T型长桁边缘倒角对蒙皮纤维屈曲的影响

针对T型加筋壁板典型结构共胶接成型过程中T型长桁边缘处蒙皮纤维屈曲的问题,开展了T型长桁边缘倒角对蒙皮纤维屈曲的影响研究,对长桁边缘产生纤维屈曲的原因、机理以及长桁边缘倒角角度与纤维屈曲程度关系进行研究.结果表明,共胶接成型制备T型加筋壁板时,长桁缘条面边缘倒角能改善长桁缘条边缘处蒙皮的纤维屈曲的程度;长桁边缘处蒙皮纤...     

航空碳纤维树脂基复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了复合材料加筋板轴压稳定性实验,对加筋板的屈曲及后屈曲性能、破坏模式和后屈曲失效表征进行了研究.实验结果表明加筋板在轴压下具有良好后屈曲承载潜能,破坏载荷约为屈曲载荷的2.2倍;其屈曲模式为筋条间蒙皮首先发生屈曲失稳,筋条在整个承载过程中保持直线,起到“屈曲分隔”的作用.通过对加筋板屈曲及后屈曲性能的理论分析,得出的理论屈曲载荷和理论破坏载荷与实验结果相对误差均小于8%,并确定了在后屈曲过程中蒙皮中心挠度的变化规律和轴向载荷的面内分布特征.      

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。     

飞机机身加筋壳失稳状态的曲栅云纹实验研究

 本文用曲栅云纹法测定了两种类型,八组不同加筋方式和蒙皮厚度,共28个飞机机身加筋柱壳结构模型,分别在轴压或均匀内压力作用下的初始屈曲临界载荷、总体失稳载荷和屈曲失稳过程的波形分布等有关参数。