增材制造钛合金微桁架夹芯板低速冲击响应

增材制造技术能够制造复杂点阵结构。相比于传统的加工工艺,可以一次成型,克服了低速冲击下传统工艺芯层与面层在连接点处易发生脱粘的问题。利用低速落锤试验装置对增材制造面心立方（FCC）夹芯板和体心立方（BCC）夹芯板进行了低速冲击试验,获得了两种微桁架点阵夹芯板的破坏模式和冲击响应曲线。低速冲击下,微桁架夹芯板上面层在冲击部位产生局部凹坑,并出现裂纹,其余部位没有大变形。试验结果表明在相同能量冲击下,BCC夹芯板的凹坑深度要小于FCC夹芯板,BCC夹芯板的抗冲击性能要优于FCC夹芯板;建立有限元模型,较好地表征了低速冲击过程中微桁架结构的损伤。发现在低速冲击过程中,对于两种微桁架点阵夹芯板,冲击能量主要由上面层和芯层吸收;冲击能量改变,夹芯板各部分吸能百分比变化较小。BCC夹芯板和FCC夹芯板结构稳定,整体性好;低速冲击下,FCC夹芯板最先发生破坏的部位是上面层与芯层连接处;而BCC夹芯板最先发生破坏的部位是中间竖直桁架。     

航空复合材料纸蜂窝夹芯结构热成型开裂研究

飞机复合材料芳纶纸蜂窝夹芯部件在热压罐成型时处于热-力耦合工况。本文关注热成型过程中可能出现的蜂窝开裂现象,通过试验获得了蜂窝芯的拉、压、剪性能参数和芳纶纸的热性能参数,同时结合有限元分析手段和反演方法,对整体蜂窝夹芯部件的热-力顺序耦合和局部芯子抽真空导致的蜂窝胞元间压强差进行数值模拟。结果表明：成型过程中的热应力不会导致蜂窝胞元间胶层开裂,局部憋气的压差可能导致蜂窝开裂;胶层部分破坏与胶层完全破坏所需的胞元间压强差的差值与胶层初始法向断裂应力正相关;胶层完全破坏所需的胞元间压强差随着受载胞元数量的增多而减小。     

S型碳纤维褶皱夹芯结构低速冲击响应特性实验研究

为研究S型碳纤维褶皱夹芯结构在低速冲击下的力学响应特性,先以模压法制备了S型褶皱芯子,再通过二次胶接工艺对面-芯粘接固化获得S型碳纤维褶皱夹芯结构。使用直径为20 mm的柱形冲头预加载不同能量冲击结构的节点和基座位置,研究该结构两个典型位置在不同冲击能量下的损伤模式及响应特性。结果表明：不同冲击能量下,上面板损伤主要为纤维剪切断裂,芯层发生拉伸及压溃断裂,下面板主要发生纤维拉伸撕裂和基体开裂;相同冲击能量下,夹芯板节点冲击在损伤深度及载荷峰值方面表现出更优的抗冲击性能;从耗能角度看,高能冲击条件下节点冲击较基座冲击吸收更多能量。     

三维中空夹芯复合材料拉伸性能的有限元分析

利用有限元软件Workbench,建立了三维中空夹芯复合材料结构模型,进行拉伸性能研究。利用该模型,探讨了材料在1 mm拉伸位移载荷作用下纤维、树脂和复合材料的应力、应变分布。结果表明:三维中空夹芯复合材料在拉伸载荷作用下,"X"形芯材交叉处应力最大,最容易发生拉伸破坏;上下面板应力最小,最不容易发生拉伸破坏;复合材料在承受拉伸载荷作用时,增强体纤维起主要承载作用,基体树脂起次要作用;当拉伸位移载荷达到1 mm时,材料的破坏模式主要为树脂破裂。     

多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究

多孔金属夹芯结构已被广泛应用于航空航天等领域,研究其抗爆吸能性能具有十分重要的意义。分别对金属空心小球和泡沫铝两种夹芯壳结构在TNT爆炸载荷作用下的抗爆性能进行爆炸实验,并采用AN-SYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟研究。结果表明:金属空心小球夹芯结构作为抗爆吸能结构是可行的;在结构框架尺寸与质量相同时,内面板厚外面板薄的夹芯结构具有更好的抗变形能力,内面板薄外面板厚的夹芯结构则具有更好的吸能特性;在结构框架尺寸与质量相同时,负梯度夹芯结构、并列型小球夹芯结构、小半径小球夹芯结构具有更好的抵抗爆炸载荷和吸收冲击能量的性能;在结构框架尺寸与质量相同时,金属空心小球夹芯结构的整体强度更高,而泡沫铝夹芯结构能更充分地发挥芯层的缓冲性能。     

复合材料蜂窝夹芯结构单面贴补弯曲性能的分析模型与试验研究

复合材料蜂窝夹芯结构作为一种轻质结构已经被广泛应用于飞机舵面及各类整流罩等部件,而弯曲性能可以综合表征其力学性能.基于此,对复合材料蜂窝夹芯板单面贴补试件进行了试验研究及数值分析.首先对单面贴补试件进行了三点弯曲试验,得出结构的破坏载荷及强度恢复值,并分析了芯层压溃以及补片脱胶两种破坏模式及其机理.数值分析中,结合Hill准则、Hashin Fabric准则以及粘聚单元技术,以二次应力准则和能量释放率准则作为失效判据,建立了基于梯形本构关系的修补结构三维有限元分析模型.对蜂窝夹芯板单面贴补结构的弯曲强度及破坏机理进行计算与分析,计算结果表明,基于梯形本构关系的胶层模型可以较好地模拟实际脱胶情况,与试验结果能够较好吻合,验证了分析模型的正确性.最后,分析了补片直径以及补片厚度对修补效果的影响,结果表明,随着补片直径与厚度的增加,修补结构承载能力呈现先增加后减小的趋势.     

四种飞机蒙皮材料抗鸟撞性能对比研究

以伊尔76飞机尾翼前缘结构为对象,对铝合金、GLARE层板、金属面板蜂窝夹芯结构以及复合材料面板蜂窝夹芯结构等四种不同蒙皮材料的抗鸟撞性能进行了对比研究;运用大型非线性动力学软件PAM-crash建立结构有限元模型,通过数值仿真进行计算,并通过试验对分析方法的正确性进行了验证,从结构破坏和吸能特性两个方面进行分析,发现相同条件下,GLARE层板蒙皮重量最小,抗鸟撞能力最强,吸能效率最高,性能最优。     

夹层结构长梁弯曲试验研究

对由碳纤维增强的复合材料面板和Nomex蜂窝组成的夹层结构进行长梁弯曲试验,分析了复合材料面板不同铺层形式对夹层结构失效载荷及弯曲刚度的影响,根据夹层结构不同失效模式对其失效载荷进行了预测.研究结果表明:试验载荷-位移曲线整体呈现非线性.面板铺层为[0/90]的夹层结构在载荷达到破坏载荷的60%时,载荷-位移曲线出现非...     

TC4钛合金试样渐进破坏试验与数值研究

以商业有限元分析软件ABAQUS为平台,基于GTN金属断裂模型对TC4钛合金光滑圆形试样和两种不同缺口形状试样在单向拉伸试验中的渐进破坏过程进行数值研究,同时对比分析了几何非线性的影响在数值计算中的差异。结果表明,该模型预测TC4钛合金试样单向拉伸试验的载荷-位移曲线及宏观断裂形貌与真实试验结果基本一致。     

国产中温固化热破胶膜性能

考察了一种适用于卫星太阳翼基板的国产中温固化胶膜的胶接性能和热破工艺性,并分别采用国产和进口胶膜,利用胶膜热破施胶方法制备了碳纤维网格面板/铝蜂窝芯夹层结构,对其弯曲性能进行评价。结果表明,国产胶膜的室温拉伸剪切强度（铝基材）为34.9 MPa,150 ℃时拉伸剪切强度降为10.2 MPa,-150 ℃时拉伸剪切强度降为30.4 MPa。碳纤维复合材料作为胶接基材时,室温拉伸剪切强度为17.5 MPa,破坏模式为基材分层破坏和胶黏剂内聚破坏的混合破坏模式。国产胶膜具有良好的热破工艺特性,在合适的工艺条件下,破孔率优于99.9%,90°板-芯剥离强度为15.4 N/cm;采用国产胶膜制备的蜂窝夹层结构的弯曲性能与采用进口Redux312UL的接近,弯曲刚度为1.94×10⁸ N·mm²,弯曲强度为35.7 MPa。     

星载蜂窝夹层结构天线复合材料力学性能检测

针对卫星的发射力学环境、在轨温度环境和辐照环境要求,对常用的蜂窝夹层结构反射器天线,提出了天线复合材料的力学参数要求和检测内容,包括：胶黏剂、原材料和蜂窝夹层结构高、低性能要求和随炉试件的检测内容,同时针对蜂窝夹层板的结构特点,提出了拉拔力、刚度测试、模态测试的方法,总结了振动试验和热真空试验中常见的失效模式。由于复合材料测试与测试方法有很大的关系,因此文章也介绍了这些参数测试的标准,同时根据仿真分析结果给出了星载蜂窝夹层结构天线板-芯胶黏剂在高温、低温下要达到的剪切强度和剥离强度指标。     

搭接长度对CFRP-Al双搭接接头应变分布和失效模式的影响

首先,采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）与Al制备不同搭接长度双搭接胶接试验件,利用万能试验机进行拉伸试验,获得载荷-位移曲线和胶接接头失效形貌。然后,依据试验数据,基于连续损伤力学模型和3D Hashin失效判据模拟CFRP层合板损伤与演化,使用内聚力模型模拟胶层和基体损伤,获得CFRP层间应力分布与截面应力分布曲线。最后,在此基础上分析不同搭接长度下双搭接接头载荷-位移曲线与接头破坏模式,研究CFRP内部铺层应力分布对失效形貌影响,探究不同搭接长度下双搭接接头破坏机制。结果表明：搭接长度由20 mm增加至40 mm时,胶接接头力学性能显著提高;搭接长度大于40 mm后,搭接长度对力学性能的影响逐渐减弱。拉伸载荷导致90°纤维附近基体的1和2方向应力较大,产生应力集中,接头发生剪切与剥离破坏。双搭接接头失效过程为一侧发生剪切与剥离破坏,接头转变为单搭接结构,之后瞬间发生失稳,较大的剥离力使接头另一侧发生破坏。     

基于增材制造的多层金字塔点阵夹芯板抗压缩性能

基于增材制造工艺制备多层金字塔点阵夹芯板,并根据标准测试方法进行准静态平压破坏实验,得到多层金字塔点阵结构的抗压缩强度。结果表明:制备的金字塔点阵结构抗压缩性能的稳定性非常好,载荷-位移曲线变化规律基本一致;试件的点阵胞元节点处首先进入塑性,之后中间两层点阵在节点处发生断裂,试件平压强度的平均值为6.72 MPa;由于成型工艺的限制,杆件"背面"质量较差,实际杆件的直径小于理论值,导致平压强度的实验结果小于理论和仿真分析值;理想化假设导致理论分析的平压强度结果与实验结果相差较大,而仿真结果与实验结果误差较小,可以控制在20%左右,满足工程精度要求;通过对比载荷-位移曲线和典型载荷下的结构变形情况可知,仿真分析可以较准确预测该点阵结构的压缩行为。     

某型直升机铝面板/铝蜂窝夹层结构承压能力研究

以某型直升机铝面板/铝蜂窝夹层结构为对象,进行承压能力研究,得到此结构在大垂向均布载荷下面板的载荷-应变试验曲线、主要破坏模式和极限承载载荷。同时,利用有限元分析软件Patran/Nastran对该结构进行有限元建模和分析并与试验结果进行对比分析,结果表明采用非线性三维有限元分析模型可以快速准确地为该类结构的分析设计提供参考依据。     

GLARE层板低速冲击的实验与模拟

研究玻璃纤维增强铝合金层合板(glass fiber reinforced aluminum laminates,GLARE)在落锤低速冲击下的材料行为,建立ABAQUS有限元模型进行模拟并对其进行实验验证。针对纤维金属基体材料的特点,采用连续损伤模型(continuous damage model,CDM)分别给予落锤6.22 J、12.38 J和14.46 J的冲击能量,在ABAQUS中对模型设置相应的边界条件和载荷,得出落锤下落方向的速率-时间曲线和能量损耗曲线图。考虑金属层与复材层间黏结层的作用,采用凝聚层(cohesive)将金属层和复合材料层粘接。在仿真中观察层间的纤维和基体拉伸和压缩损伤状态及破坏情况,并与实验得出结果进行对比。结果显示:有限元仿真可以准确模拟落锤冲击之后GLARE板背面的裂纹和鼓包的实效情况以及基体和纤维的损伤情况,很好地预测复合材料内部的损伤情况。     

钛表面阳极氧化处理对TA2/聚醚醚酮（PEEK）粘结性能的影响

为了改善TA2/C_f/PEEK纤维金属混杂层板中TA2/PEEK的界面粘结性能,利用NaTESi恒压阳极氧化法对TA2板进行表面改性。首先通过正交试验对阳极氧化工艺进行优化,对不同处理工艺的TA2板表面进行了XRD、SEM分析以及粗糙度的表征;其次,研究了钛板表面改性对TA2/PEEK界面结合强度及断裂韧性的影响。结合扫描电镜图进行表面粗糙度及剪切强度的极差分析,发现随着阳极氧化时间的增长,表面粗糙度减小,TA2/PEEK接头的单搭剪切强度下降。对不同工艺下单搭接头的拉伸剪切强度进行比较后,确定了利于提高TA2/PEEK界面结合强度的最优工艺为恒压10 V、在35℃下阳极氧化10 min;该种工艺处理后的钛板表面粗糙度为1.34 μm,其表面形貌为纳米颗粒,粒径尺寸为100~200 nm,在阳极氧化时间为10 min、电压为10 V时,其表面纳米颗粒分布最为均匀,该种形貌下制备的TA2/PEEK界面剪切强度达到19 MPa,失效模式为混合破坏;通过载荷-位移曲线、R曲线,对此工艺下TA2/PEEK界面I型层间断裂韧性进行了表征,发现其平均能量释放率为188.1 J/m²,相比于未经表面处理的试样增加了103.1%,阳极氧化工艺处理后的TA2/PEEK界面抗分层能力更好。     

熔模精密铸造渣孔缺陷的控制等4则

1 熔模精密铸造渣孔缺陷的控制 本成果通过对熔模精密铸造铸件废品的分析研究,发现铸件的渣孔缺陷主要发生在铸件上法兰的上平面处,其来源主要是一次夹渣和二次夹渣,合金的熔炼不当产生一次夹渣,精炼剂质量差,使熔渣清理不干净,而大量卷入铸件,铸件比较高,金属液的流程长,易产生二次夹渣。本成果严格控制合金熔炼质量,并在浇注系统中设置过滤片,以阻挡熔渣进入型腔,防止一次夹渣的产生。由于熔渣密度比液态金属小,容易上浮,故常常在法兰上平面处出现渣孔。本成果针对这个特点,把蜡模的上法兰制成倒锥形,形成一个集渣冒口,使进入铸件型腔的熔渣上浮至冒口中,最后被机械加工除掉,基本上可消除该处的渣孔缺陷,铸件质量合格率明显提高。 2 铜质波导器件的氢气保护钎焊 本成果研究的铜质波导器件长190 mm,宽70 mm,高26 mm。波导型腔由上下左右四块台阶板组成,腔内由十余块隔板将型腔平行分割成数十个谐振腔,其中有6个在台阶上,两边各有4个子腔。各子腔的尺寸精度累积误差均为±0.05 mm,形位精度为±0.05 mm,隔板间距为（3±0.025） mm,谐振腔体空间狭小,焊后无法校形,难以修整焊缝与抛光内腔。为保证器件质量,本成果优选采用氢气保护的钎焊工艺方法。为防止焊料外溢,严格控制钎料添加量,经计算后预制了钎焊片并采用嵌埋、加箔等钎料添加方法。 由于采用气体保护钎焊法,严格控制了钎料量,器件在钎焊过程中加温均匀,焊后变形极小,焊缝清洁,圆角整齐,无需任何修锉。铜质波导器件经多批次生产考验,质量稳定,电气、机械技术指标满足整机要求。采用气体保护钎焊,必须注意选择器件的材质,本成果研制的滤波器采用H96铜板制成。 3 硬质聚氨酯泡沫灌封料的应用 一些属低电压、小电流、发热量小、质量轻的组合件,采用硬质泡沫塑料灌封比较合适。本成果对运载火箭上电子仪器的低压电源、视放组合、雪崩管调制器等几个组合件采用硬质聚氨酯泡沫塑料灌封。该灌封料密度小、介电常数小、易于拆换修理。 硬质聚氨酯泡沫在一定负荷下不变形,有一定硬度。但当负荷过大时发生形变就不能恢复原形,这和软质聚氨酯泡沫全然不同。本成果灌封的组合件本身无外壳,用模塑法进行灌封,要满足电性能、密度、强度、耐温性等方面的要求,还要求产品外观平整、光洁、气孔均匀,并有一定硬度。由于组合中有晶体管、集成块、易脆折的陶瓷片,在发泡时要注意减小发泡压力。本成果为避免造成元器件损坏,在工艺上和模具设计上采取了有效的措施,保证了灌封质量。经生产考验,灌封件质量可靠,满足设计技术标准要求,已在批生产中应用。 4 弹性灌封材料的应用 （1）聚硫橡胶密封电缆接插件 本成果是灌封雷达站变速箱电缆等有同轴多芯电缆、屏蔽多芯电缆和大截面动力电缆等。为保证在野外高可靠连接,防雨密封,确保芯线绝缘良好并有足够的机械强度,本成果采用XM—28密封胶进行灌封。 该胶由聚硫橡胶基料、硫化剂、环氧树脂、促进剂等组成。它具有良好的抗老化性能;耐海水、耐燃油、耐臭氧等抗腐蚀特点,同时具有良好的粘接性能和电性能。可以在－55℃～＋125℃条件下正常工作,其伸长率可达400％,抗拉强度≥2.94 MPa,是良好的密封材料。与其它灌封料所不同的是,由于该胶属粘稠状物,本成果在工艺上采取压力注射方法灌封,压力为390 kPa～590 kPa,效果良好。 （2）有机硅凝胶灌封高压器件 本成果对雷达显示器中高压电源、高压整流器等组合进行灌封。这些组合中有振荡变压器、高压硅堆等多种元件。要求绝缘强度大于15 kV/mm,工作可靠。本成果选用有机硅凝胶为灌封材料。该胶透明性好、强度高、无毒、电性能好、可修补,适合于高压器件的灌封。本成果在工艺上试验探索,解决了气泡、脱粘、N组份胶料中毒失效等工艺技术问题。适当处理了环境条件、操作温度与时间、胶料粘度与负压排泡方法以及硫化时间与温度的关系等工艺因素,灌注出性能好、美观的电子组件。 * 李连清 *