压差载荷对蜂窝夹层结构分层扩展影响研究

复合材料蜂窝夹层结构随飞机起飞-巡航-降落过程中,反复经受内外压差载荷。为研究地空地压差载荷对复合材料蜂窝夹层结构中蒙皮和蜂窝之间胶接面分层扩展行为的影响,设计了可叠加压差疲劳载荷谱和压缩疲劳载荷谱的试验装置,对含预埋分层的复合材料蜂窝夹层平板开展了重复载荷试验研究,一组试验施加压缩疲劳载荷谱,另一组试验施加压缩疲劳载荷谱叠加地空地压差载荷谱。破坏试验件的剖切检查表明预埋分层沿垂直于压缩载荷方向在胶接层内扩展。在约80%极限载荷水平的压缩疲劳载荷谱下,分层初始经历一段缓慢扩展,达到一定程度后开始加速扩展直至破坏。叠加的压差载荷谱使分层扩展速率显著加快。基于试验构型的有限元仿真分析表明压差载荷作用下蒙皮与蜂窝之间的面外剥离应力是导致损伤扩展加快的主要原因。     

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.     

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。     

蜂窝夹层结构粘接用聚酰亚胺胶膜的研究

采用热固性聚酰亚胺胶黏剂KHPIA-S制备了聚酰亚胺胶膜,系统研究了胶膜的厚度以及表面处理剂对复合材料蜂窝夹层结构粘揍性能的影响规律.结果表明,制备的聚酰亚胺胶膜具有优异的高温粘接性能,在320℃下对不锈钢试片粘接的剪切强度超过11 MPa,对蜂窝夹层结构粘接的平拉强度最高可达2.1 MPa.     

Nomex蜂窝夹层结构面内剪切性能试验研究

采用改进设计的像框试验对Nomex蜂窝夹层结构的面内剪切性能进行了表征测试与研究。试验结果表明,在像框的持续性剪切载荷作用下,夹层结构首先发生了板-芯界面脱粘,继而蒙皮在竖直方向上形成了巨大的鼓包和皱褶。随着剪切载荷的增加,夹层结构最终发生了横向的断裂。多次试验结果所得的低于3%的离散率也预示出面内剪切像框试验的有效性和准确性。此外,试样和夹具之间的固定程度是影响面内剪切像框试验的关键因素。仅采用螺钉进行固定的试样测试时,螺钉受拉力的移动直接导致了夹层结构边缘破坏,然而样件本身所受像框的面内剪切载荷有限,试验无效。     

不同胶接压力对Nomex蜂窝夹层结构胶接性能的影响

通过测试在不同胶接压力下的Ｎｏｍｅｘ蜂窝夹层结构的力学性能及胶接后尺寸的变化，讨论胶接压力对蜂窝夹层结构的影响，得出了胶接压力在０．０４ＭＰａ到０．２ＭＰａ之间，夹层结构的力学性能无明显变化，但厚度尺寸随压力增大而减少的结论。     

蜂窝夹层板内埋件的承载力研究

描述了蜂窝夹层板内埋件的承载力检测条件和结果,分析了埋件材质及埋件周围填胶量对其承载力的影响。结果表明:相同技术状态下,铝合金与镁合金埋件的承载能力基本相当,而镁锂合金埋件的最大弹性变形载荷与铝合金和镁合金埋件基本相当,但其首次失效和最大破坏载荷相对较低;对于同种材质的埋件,适当增加填胶量,更有利于提高埋件的承载力。研究结果可作为产品设计优化的基础依据。     

铝蜂窝夹层结构穿孔损伤复合材料修理技术研究

铝蜂窝夹层结构穿孔损伤的高效、低成本修理对保障航空装备的完好性具有重要意义。针对铝蜂窝夹层结构穿孔损伤金属面板提出复合材料碳纤维湿补片胶接修理工艺，结合飞机典型铝蜂窝夹层结构形式制备完好和穿孔损伤试样，对穿孔损伤试样开展复合材料胶接修理，建立铝蜂窝夹层结构复合材料挖补胶接修理后四点弯强度分析有限元仿真分析模型，并通过仿真计算分析穿孔损伤大小对铝蜂窝夹层结构四点弯强度的影响规律及修复后强度恢复情况。结果表明：复合材料挖补胶接修理可有效恢复穿透损伤铝蜂窝夹层结构的弯曲强度；有限元仿真计算结果与试验结果基本一致，仿真模型能够较为准确地计算各类试样的极限载荷及失效模式；当损伤范围≤φ30 mm（径宽比小于40%）时，复合材料胶接修理工艺可应用于飞机铝蜂窝夹层结构损伤修理中。     

卫星蜂窝夹层结构新型埋件工艺

针对卫星蜂窝夹层结构，研究了新型后埋件及其自动化后埋工艺，并与我国卫星领域传统后埋技术对比，考察了两种埋件技术对埋件承载力与承载系数的影响。结果表明，两种埋件系统承载模式基本一致，胶黏剂的分布状态对其承载性能有重要影响。新型后埋系统承载能力已经达到传统后埋系统的158.2%。新型后埋件技术更适合自动化方式，保证工艺稳定性一致性可靠性。     

轻质量低成本无人机舵面结构优化与验证

复合材料蜂窝夹芯结构因其高比强度、比模量及可设计性而广泛应用于航空飞行器结构。文章提出了 1种轻质量、低成本舵面结构方案——通过增大蜂窝芯密度使其剪切模量提高,进而降低复合材料面板应力水平,减小面板厚度。首先,根据理论选择通过增大蜂窝密度提升蜂窝剪切模量;然后,对结构进行有限元计算与分析,发现蒙皮应力水平随蜂窝芯剪切模量增大而显著降低;最后,设计不同蜂窝芯密度的蜂窝夹芯结构进行试验。试验结果证明,蜂窝芯越致密,其典型力学性能越高,冲击后的剩余强度也越高。     

蜂窝夹层结构中胶粘剂的模拟和研究

提出了一套定量研究蜂窝夹层板中胶粘剂作用的方法。从建立蜂窝芯、胶粘剂和面板的板单元有限元模型出发,用有限元软件计算了在线弹性范围内有胶粘剂和无胶粘剂蜂窝夹层板模型在受均布载荷情况下的变形,并作了对比分析,指出了胶粘剂对夹层板的加强作用,为定量研究胶粘剂在夹层结构中作用的模拟开辟道路。同时对胶粘剂的剥离性能进行了研究,总结了影响胶粘性能的因素。     

蜂窝夹层结构埋件拉脱力的影响因素

介绍了蜂窝夹层结构M5埋件的拉脱力测试条件及结果,分析了试样平面尺寸、真空压力、发泡胶用量和蜂窝-埋件高度阶差对拉脱力的影响.结果表明,当蜂窝-埋件高度阶差为0.15～0.40 mm时对拉脱力无明显影响;试样平面尺寸达到测试夹具加载口孔径2倍以上,方可避免边界效应影响;对于J-47D发泡胶,温度达到T1后加气压、卸真空更有利于提高拉脱力;合理优化埋件周围发泡胶填充量,既能节省发泡胶,又能提高埋件拉脱力.所得结果可为产品试验设计和拟定工艺参数提供参考.     

铝蜂窝夹层板热管区域平面度控制方法研究

主要研究蜂窝板热管区域局部平面度超差的原因及控制方法。经分析,蜂窝叠块的尺寸精度以及胶膜固化后的厚度不均匀性是导致超差的主要原因,通过提高工装均压板的厚度,利用胶膜厚度的自适应性弥补零部件尺寸累积偏差,提高平面度,并对新方法下产品剥离、剪切强度进行测试,结果表明,该工艺方法可以在不影响产品力学性能的前提下大幅改善产品热管区域平面度。     

复合材料胶粘修复界面的载荷传递仿真优化

胶接修复工艺是飞机结构修理的重要工艺之一,为了研究胶黏工艺对修复效果的影响规律,探索最佳的工艺参数,本文建立胶粘修复的三维模型,利用ANSYS Workbench有限元软件对胶粘修复界面载荷传递进行分析,讨论补片材料、补片厚度、胶层剪切模量和胶层厚度对胶接修复的影响。仿真结果证明补片材料为硼/环氧树脂时,胶粘失效风险最小;补片较厚时,胶接修复效果好,但补片过厚会削弱胶接修复的效果;胶黏剂剪切模量越大越有助于损伤区域的修复,工程应用中建议选用剪切模量较高的胶黏剂;胶层较厚时会增大胶层发生缺陷的概率从而减弱修复效果,建议合理选取厚度较小的胶层。最后提出修复界面的表面处理、复合材料端部的溢胶以及倒角处理均有益于修复结构的载荷传递,缓和胶粘界面应力水平,降低胶层失效的风险。     

基于工程应用的蜂窝夹层结构有限元建模方法

通过对蜂窝夹层结构受力特性的分析,提出了"组合元素法"的有限元建模方法,并通过典型受力蜂窝夹层结构的理论计算以及典型蜂窝壁板的强度试验,验证了方法的有效性,解决了飞机运动翼面复合材料蜂窝夹层结构的强度设计难题,同时也为航空、航天等其他类似结构的强度设计提供了借鉴和参考.     

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。     

复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计

为了充分利用复合材料加筋板的后屈曲承载能力,针对复合材料加筋板的后屈曲行为开展优化设计方法的研究具有重要意义。详细探讨了筋条尺寸及密度等参数对承受面内剪切载荷作用下的复合材料双向加筋板屈曲后屈曲的影响规律。建立了复合材料加筋板考虑后屈曲响应的结构分级优化方法:在一级优化中以结构几何尺寸为设计变量,使用响应面法(RSM)拟合出结构后屈曲响应的全局近似函数,结果显示,加筋缘条的宽度及加筋的密度对屈曲承载能力有重要影响;在二级优化中采用遗传算法(GA)对复合材料铺层顺序进行优化,经过两级优化后的复合材料加筋板相比于初始设计在质量减少了3%的同时,线性屈曲位移提高了8.86倍,线性屈曲模态由局部屈曲改善为整体屈曲,同时结构的后屈曲承载能力提高了8.7%。基于解决旅行商问题(TSP)的遗传算法被调整用于固定铺层厚度的复合材料铺层顺序优化问题,经优化,结构线性屈曲特征值提高了12.76%,表明了优化方法的可行性。