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。     

飞机壁板复杂载荷试验技术

壁板试验是飞机积木式验证过程中的重要组成部分,但由于壁板结构的复杂受力,在进行壁板性能试验时需综合考虑实际载荷形式与边界约束,而复杂载荷试验技术是模拟飞机壁板结构真实受力与支持状态的重要手段。国内外研究人员和机构开展了大量的壁板试验技术和试验装置的研究与研发工作,有效地降低了试验验证成本、缩短了飞机研制周期,有利支撑了飞机结构的设计与验证工作。本文从民用飞机壁板结构受力状态分析出发,分别对国内外飞机壁板复杂载荷试验技术进行了综述和分析,主要包括平直壁板的压剪复合试验技术、曲板剪切/气密及轴向拉/压等复合载荷试验技术,以及联合载荷施加过程中的防耦合、防干涉等问题,同时评述了各类试验装置载荷施加方法及其优缺点,重点对代表壁板试验技术先进水平的三套曲板试验装置进行了分析和评述。最后对飞机壁板复杂载荷试验技术的发展现状做了总结和展望。     

民用飞机后机身壁板控制失效模式和控制载荷工况分析

为了明确载荷对典型民用飞机的后机身加筋壁板结构设计的影响,建立低平尾式飞机后机身的有限元模型,计算分析了壁板的应力应变分布,计算分析了壁板不同区域的控制载荷工况、控制失效模式。通过对比不同失效模式各自所占的比例,证明后机身壁板结构的主要失效模式是屈曲以及最大应变准则。通过对比不同控制载荷工况各自所占的比例,选出后机身壁板结构的主要控制载荷工况。     

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。     

先进铝锂合金机身壁板结构承载能力研究

铝合金是目前飞机蒙皮,长桁和框的首选材料。但第三代铝锂合金在密度、断裂、疲劳、耐腐蚀方面明显优于常规铝合金。因此,铝锂合金正逐步在机身结构中得到应用。本文通过有限元模拟和试验相结合的手段对铝锂合金机身壁板结构的压缩、拉伸和剪切承载能力和变形形式进行了分析。研究结果表明,铝锂合金机身壁板结构和常规铝合金壁板结构的失效模式是一致的。     

民用飞机机身壁板复杂试验载荷优化技术

针对民用飞机复合材料机身壁板强度试验中的载荷预计问题，构造了基于应变误差矩阵的壁板试验载荷优化模型，并利用多维极小值优化算法预计了壁板试验载荷。首先，基于机身壁板在试验装置中的受载形式，建立了机身壁板及试验装置有限元模型，并计算了各试验基准载荷作用下的机身壁板应变矩阵；其次，基于机身壁板在全机身受载状态下和试验受载状态下的应变矩阵之差，同时考虑矩阵中各元素的加权系数，构建了机身壁板应变误差矩阵，并以应变误差矩阵所有项的平方和最小为目标，以各基准载荷的系数为优化变量，以各基准载荷系数的上下限为约束，构建了基准载荷系数优化函数；基于罚函数法对优化函数进行了无约束处理，并利用最速梯度法进行了载荷系数优化；最后，基于优化得到的载荷，计算了机身壁板在试验复合载荷作用下的应变，并与机身壁板在全机身受载状态下的应变相对比，应变的分布趋势基本一致，应变误差在10%以内，证明该方法可以为机身壁板试验载荷的确定提供支持。     

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。     

舰载机机身加筋壁板屈曲疲劳试验

舰载机弹射起飞和拦阻着舰的张力场屈曲波在机身壁板上产生附加的拉伸或弯曲应力,从而显著降低结构疲劳强度、改变疲劳破坏部位。以张力场梁形式的三点弯曲试验开展了反复屈曲下的疲劳特性研究。通过疲劳试验测得的临界屈曲载荷与按工程张力场理论得到的临界屈曲载荷对比,吻合较好。根据3级不同载荷水平下的疲劳试验结果,给出了张力场梁屈曲疲劳试件的无量纲载荷比-寿命曲线及载荷比-张力场系数曲线。根据张力场系数与载荷关系、载荷寿命曲线及飞机寿命指标可控制张力场的严酷程度来开展机身壁板轻量化设计。本项工作为舰载机机身壁板在弹射起飞和拦阻着舰过程中的反复屈曲疲劳问题评定积累了数据。     

Ω型加筋壁板连接结构在拉伸载荷下的破坏研究

考察机身收缩段的复合材料Ω型加筋壁板前段和后段连接结构在拉伸载荷下的承载能力,开展了拉伸破坏试验研究。试验件为壁板与框呈75°夹角的倾斜结构,试验考核了加筋壁板、连接框、连接角盒和紧固件的应变水平、试验件的载荷-位移曲线和破坏载荷。试验结果表明,Ω型加筋壁板前后段连接结构在拉伸载荷下,角盒和框的连接处的紧固件以及框的转角处最先发生破坏。试验结果可作为飞行机身复合材料结构连接的设计和评定依据。     

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。     

几种应力选取方法对Stranas强度评估结果影响的研究

基于机身壁板许用值试验数据,研究了用结构强度评估软件Stranas对壁板强度评估时壁板应力选取问题。提出了5种应力选取方法,分别用Stranas预计了8种轴压壁板构型和12种剪切壁板构型的破坏载荷,同试验结果进行了比较,给出了分析结论。     

增压载荷下机身蒙皮细节应力分布计算方法研究

为了获取增压载荷作用下机身蒙皮疲劳分析部位较为精确的应力分布,结合某机型机身等直段结构,采用NASTRAN有限元分析软件,在总体有限元模型基础上,对局部区域进行网格细化,建立了细节有限元模型,给出了窗周区域载荷施加的简化处理方法,获得了机身典型壁板区域以及窗周区域蒙皮应力分布规律,并将典型壁板区域某截面细节有限元模型分析结果与试验测试结果进行了比较,结果表明,两者数据吻合较好。最后,提出一种用于疲劳强度分析的蒙皮细节应力分布获取方法,采用该方法能够类比获取同一机型同类结构蒙皮细节应力分布。     

弯曲载荷下机身壁板结构快速优化设计方法

给出了机身结构在弯曲载荷作用下,机身壁板尺寸参数确定的原则和方法。通过对机身典型剖面结构形式的简化,得到了机身尺寸参数与壁板应力之间的关系表达式,根据强度控制原则,对壁板结构进行了优化迭代,得到了满足要求的壁板尺寸参数,并与有限元应力分析进行对比。结果表明,所推导的机身壁板应力与有限元分析得到的应力结果吻合较好。该方法可实现机身壁板结构快速优化,对初期结构设计具有指导意义。     

复合材料板拉/压-剪复合载荷屈曲相关方程

利用轴向拉伸/压缩和面内剪切载荷构建了一个相互作用函数,并将其通过幂级数展开成二次多项式,利用单轴试验测试的复合材料板屈曲载荷,基于数学原理和合理的假设,推导确定了多项式的各项待定系数,构建了轴向拉伸/压缩和剪切复合载荷下的复合材料板屈曲相关方程,从数学上理性地解决了传统屈曲相关方程不适用于复合材料板（尤其是非均衡铺层板）的问题。利用提出的相关方程预测了4种不同的非均衡铺层复合材料板在轴向拉伸/压缩和剪切载荷作用下的屈曲相关曲线,并与有限元特征值法的模拟结果进行了对比,两者具有很好的一致性,而对于传统相关方程,其铺层的非均衡性越大则预测误差越大。最后通过均衡铺层的复合材料加筋壁板的压剪复合试验进一步证明了提出的相关方程的有效性。     

机身加筋壁板环向裂纹损伤容限试验与分析

机身壁板是飞机结构中的主要承力构件,也是损伤的主要产生部位,研究机身加筋壁板的裂纹扩展规律和剩余强度特性具有重要意义。在轴向拉伸载荷作用下,对含环向裂纹的机身加筋壁板进行损伤容限试验;利用ANSYS有限元软件对试验件进行应力强度因子分析,估算裂纹扩展寿命;基于线弹性断裂力学准则和线弹性断裂力学加塑性修正准则,计算剩余强度特征曲线,并对比分析计算结果和试验结果。结果表明:计算得到的裂纹扩展寿命与试验结果的相对误差为6.3%,满足工程要求;线弹性断裂力学加塑性修正准则估算的剩余强度更为合理,误差仅为2.6%,且偏安全。     

含离散源损伤的复合材料壁板的剩余强度评估

为研究含离散源损伤的碳纤维增强树脂基复合材料曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度,对7长桁4框的复合材料曲面帽形加筋壁板进行了试验和分析。结果表明,与离散源损伤距离超过1个典型长桁间距壁板的蒙皮和长桁在轴压载荷作用下轴向应变分布较均匀;加载过程中,损伤区附近应力重新分配,降低了应力集中,离散源损伤可简化为圆孔;基于FD判据和经典层压板理论的计算方法能较准确的计算出含离散源损伤的曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度;并针对复合材料曲面帽形加筋壁板的结构特点、应变分布特征及破坏模式提出一种在内压-轴压联合载荷下轴向剩余强度的工程估算方法;计算结果均与试验结果吻合较好。     

金属机翼长桁梢部拉伸试验研究

长桁梢部是飞机壁板设计中的关键细节特征,也是飞机壁板设计的难点之一。通过某型飞机下壁板长桁梢部结构静力拉伸试验,对长桁梢部的静力失效模式,传力特性进行试验研究,并对15°、30°和45°三种典型斜削角度的长桁梢部结构进行了对比分析。试验结果表明,长桁梢部在第一排紧固件位置以蒙皮剪切的形式破坏;应变分析表明长桁梢部在斜削段存在局部弯曲;三种斜削角度中,30°斜削角度最优。试验结果为某型飞机下壁板长桁梢部设计提供了依据。     

叶根缘板过渡处特征模拟件双轴弯曲振动疲劳试验研究

摘要：针对转子叶片叶根缘板过渡处高应力比弯曲振动疲劳问题,采用转子叶片结构细节刻画方法设计了特征模拟件,实现了对叶根缘板过渡特征的几何刻画和应力分布模拟。基于模态差异化方法,设计了试验夹具及调频质量块。搭建了模拟件双轴弯曲振动试验系统,试验过程中试样处于高频弯曲振动状态下（>1kHz）,测得的试样考核点弯曲应变幅稳定,所搭建试验系统实现了轴向拉伸-高频弯曲振动的转子叶片典型双轴载荷施加。试样宏观断裂位置与有限元计算最大应力点一致,对断口进行了宏/微观分析确定了试样断口疲劳源与裂纹扩展特征,证明采用结构细节刻画方法进行试样设计的合理性及所搭建试验加载系统可行性。     

含通孔损伤复材壁板螺接修理接头拉伸性能试验研究

采用单向拉伸试验,测试了含通孔损伤的复合材料壁板和含通孔损伤的螺接修理接头壁板的单向拉伸强度,评估了含通孔损伤的复合材料壁板的螺接修理接头效果,研究了含通孔损伤对复合材料螺接修理接头的破坏载荷、破坏模式、应力分布的影响。试验结果表明:含通孔损伤的复合材料壁板及其修理板的典型破坏模式均为横向拉伸破坏;与无通孔板相比,含通孔损伤的螺接修理接头拉伸强度恢复率达到44.2%;应变读数表明,补片能够较好地缓解母板损伤孔边缘的受载,从而有效提高结构拉伸强度。     

飞机机身壁板上小开口的设计方法探讨

民用飞机的设计技术已经越来越重要。飞机结构工程师会根据飞机结构及功能的需要在飞机机身壁板上设计很多小开口结构,这种小开口结构设计的质量对飞机力学性能和重量等方面都有直接的影响,所以小开口结构的设计已成为飞机设计过程中的重要组成部分,一个成功的机型必须要有优秀的小开口设计。结合某型飞机的结构设计过程,详细分析和探讨了机身小开口结构的设计过程,具体包括载荷分析、相关零部件设计、密封及表面防护设计等方面的内容。