某大型飞机复合材料壁板工艺仿真及验证技术

热压罐固化成型是制造复合材料的常用方法,固化期间罐内温度分布变化以及模具与复合材料构件之间的热不匹配、柔性模具的低热导率等因素导致制件内部不可避免的产生温度梯度以及残余应力,从而影响材料的使用性能。大尺寸曲面帽型壁板采用复合材料热压罐工艺成型,根据热压罐的工作原理,针对复合材料构件热压罐成型过程中温度场分布和固化变形等问题,进行了仿真分析,通过对比制件温度场分布和固化变形仿真计算结果以及全尺寸零件的实际验证结果,验证了预测方法的正确性。分别利用成型工装和检测型架改进优化以及制造过程优化来控制构件固化变形,使其形状满足产品尺寸的精度要求,证明根据工艺仿真计算结果以及工艺过程改进,可以对大尺寸曲面帽型壁板在制造工艺过程中出现的变形回弹及残余应力水平进行预估和最大限度的减小,实现复合材料结构设计和制造的一体化,提高制件的成型质量。     

Composite materials for primary aircraft structures: from development phase to high volume production rate

From 1980’s decade, the introduction of carbon composite materials in structural applications has been consistently increased in the successive generations of civil aircraft from Single Aisle to Middle-long Range to achieve a culminant point with more than 50% in structure weight in recent commercial civil aircraft. This evolution, done through successive iterations, has been possible by combining in the same time the improvement of intrinsic composite material performances and its transformation into prepreg production technologies together with the development of new manufacturing process for material lay-up automation at composite shop-floor manufacturer of aircraft composite parts. New challenges are still coming to continuously develop materials and technologies in order to pursue the production more cost-effective composite parts. Associated to higher aircraft production rate for single aisle, new challenges may force material and aircraft designers and producers to furthermore drive new products and processes introduction and new ways of transformation within in next decade of composite aircraft designs. We propose to illustrate these trends using past and recent developments and our return of experience from Hexcel on Civil Aircraft programs.     

复合材料层合板多钉连接的紧固件连接柔度

复合材料层合板多钉连接结构中螺栓紧固件连接柔度随钉排数增加而变化。为了阐明多钉连接紧固件连接柔度与单钉连接紧固件连接柔度的差异并建立多钉连接紧固件连接柔度的计算方法,进行了ZT7H/5429复合材料层合板螺栓连接结构拉伸试验和紧固件连接柔度解析求解;研究了旁路载荷对紧固件连接柔度的影响规律并提出了旁路载荷伴随下紧固件连接柔度的计算公式;针对紧固件连接柔度取值与分析模型的相关性,构建了描述钉间层合板柔度偏差的模型适应函数并提出了面向分析模型的紧固件连接柔度修正公式;对1列5钉连接结构进行了钉载计算。结论表明：采用所建立的修正公式对紧固件连接柔度修正后,使得梁-壳有限元模型的钉钉载最大计算误差由16%减小至3%,钉载峰值的计算误差由11%减小至2%,实现了准确且快速的钉载计算,尤其适合大规模复合材料层合板结构钉群连接区的工程应用。     

基于CATIA生成数控加工路径的机器人纤维铺放轨迹规划

纤维铺放轨迹规划是纤维铺放成型中控制加工路径的关键步骤,直接影响复合材料构件的成型精度和铺放效率。本文基于成熟的商业化CATIA数控加工编程软件进行纤维铺放轨迹计算,获取待处理的加工路径,利用矢量补充和格式转换算法解决了铺放轨迹信息与FANUC机器人兼容性差的问题;借助插值算法求出了输送点和剪断点,补充了铺放轨迹信息,进而得到了完整的铺放信息,缩短了开发周期。在基于FANUC机器人的铺放装备上对某飞机舱门进行铺放实验,验证了基于CATIA数控加工技术的纤维铺放轨迹生成方法具有可行性,铺放轨迹结束点位置误差及轨迹间距误差都在±0.5mm之内。     

含分层缺陷复合材料层合板分层扩展研究

采用基于粘聚区模型(CZM)的粘接元方法对含分层缺陷复合材料层合板进行了分层扩展研究。在缺少材料层间试验数据的情形下,应用了一种参数估算法确定粘接元的界面强度和刚度,并计算得到了含分层缺陷复合材料层合板的分层起始及扩展载荷,计算结果与试验值吻合良好,验证了所用方法的有效性。在此基础上,分析了不同分层位置对分层屈曲载荷、分层起始及扩展载荷的影响,并讨论了铺层角度对分层扩展方向的影响。     

基于MSC.Patran/Nastran的复合材料层合板稳定性优化

建立了基于MSC.Patran/Nastran的PCL二次开发优化系统。优化分两级,第一级采用直接搜索法和正交试验法相结合优化分层厚度;第二级利用遗传算法优化铺层顺序,最终获得最佳铺层。经算例验证,该方法原理简单,易于实现,具有很强的实用性和通用性。     

高体积分数SiCp/Al的化学镀镍

在进行无钯活化预处理后,对高体积分数SiCp/Al进行化学镀镍,研究了温度和pH值对镀层和沉积速度的影响。采用SEM观察镀层形貌,通过EDX测定镀层的镍磷含量,并用XRD分析了镀层的显微结构。结果表明:在特殊预处理后,采用化学镀镍,可在高体积分数SiCp/Al表面沉积上致密、均匀、结合牢固的镍镀层,镀层为微晶结构,属于中磷镀层。     

Ti的添加方式对反应钎涂碳化物／铁基合金复合涂层组织结构的影响

利用钛铁粉、纯钛粉、铬铁粉或纯铬粉、硼铁粉、镍粉、硅粉和胶体石墨粉,真空条件下通过反应钎涂在低碳钢基体表面制备与基体为冶金结合的碳化物/铁基合金复合涂层.研究Ti的添加方式对涂层组织的影响.试验结果表明,涂层组织结构由粘结相Fe基体相和增强相碳化钛、碳化铬构成.Ti的添加方式对涂层组织结构影响很大.不同的Ti添加方式,导致涂层中碳化钛形态及涂层致密度差别较大.分析认为,Ti的添加方式对涂层组织结构的影响是由于涂层TiC合成时受到的动力学条件不完全相同造成的.     

小编织角三维编织复合材料拉伸强度模型

 采用离散化方法，基于等应变及等应力混合平均思想，结合桥联模型，建立了四步法小编织角三维四向矩形编织复合材料的拉伸强度模型。该模型不仅可以获得材料的等效弹性性能，而且能直接得到各组分材料（纤维束中纤维和基体、纤维束外基体）的细观应力分布，并基于纤维和基体失效准则，揭示了材料在单向拉伸载荷作用下的失效机理并预报了材料拉伸强度。数值分析结果与实验数据基本吻合，证明了该模型的有效性，经讨论材料主要工艺参数对拉伸强度和应力分布的影响，得到了一些有参考价值的结论。     

虚拟现实中的增强虚境技术

增强虚境技术在基于图形的建模与绘制(GBMR)框架下利用基于图像的建模与绘制(IBMR)方法描述复杂对象及加速场景绘制,可以解决虚拟现实研究中逼真绘制与实时显示间的矛盾.将国内外增强虚境方面的最新研究成果按融入合成场景中图像对象包含几何信息的比例划分成3大类,分别是在合成场景中融入纯图像对象、融入部分几何信息的图像对象及利用IBMR方法加速场景绘制,介绍了3类工作中新的研究成果,分析了这些成果的基本原理、方法、过程和优缺点,提出了该领域技术发展面临的5大问题及可能的解决方法．