3D打印连续纤维增强复合材料研究现状综述

纤维增强复合材料因其优异的力学性能已被广泛应用于各工业领域,但由于传统制造工艺的限制,复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构。近年来,3D打印技术的快速发展有望实现复杂几何形状复合材料结构的有效制造,从而进一步拓展复合材料的应用范围。连续纤维增强复合材料3D打印技术的成熟应用对于中国高端装备的制造具有重要意义。从力学性能角度出发,对3D打印连续纤维增强复合材料的研究现状进行综述分析,重点分析了打印温度、打印层厚度、增强纤维类型、材料堆叠方式、纤维体积含量、打印扫描间距等工艺参数对复合材料力学性能的影响机制;讨论了3D打印复合材料在典型载荷下的力学性能及损伤演化规律,明确了影响/制约其力学性能的主要原因;介绍了3D打印复合材料的强度/刚度分析预测方法,并对研究发展趋势进行了总结和展望。     

侧边边界条件对铝合金加筋板轴压性能的影响

工程实际中,飞机加筋板结构受到梁或墙限制而呈简支状态,侧边受约束的高强铝合金加筋板在轴向压缩时,表现出与侧边自由加筋板不同的压缩特性。本文就此问题进行了试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过影像云纹和应变计监测试验件屈曲及后屈曲过程。基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用含韧性损伤和剪切损伤的Johnson-Cook本构模型,研究不同侧边约束下加筋板轴压特性。计算结果与试验结果相吻合,研究表明:侧边简支加筋板蒙皮同时发生失稳,而侧边自由加筋板侧边蒙皮首先发生失稳,侧边自由加筋板失稳载荷虽远低于侧边简支加筋板,但其结构破坏强度仅下降约9%。      

带攻击角度约束的自适应终端滑模导引律

针对某些导弹在对目标进行打击时需要满足零脱靶量和攻击角度约束的要求,首先基于终端滑模控制和有限时间控制理论,改进了一种快速收敛的非奇异终端滑模函数,用于设计滑模面,结合自适应指数趋近律,提出了一种自适应非奇异终端滑模控制方法,解决了传统终端滑模控制中存在的奇异问题,并使状态变量在有限时间内快速收敛到平衡点。然后将所提方法用于导引律的设计,提出了一种带攻击角度约束的自适应非奇异和有限时间收敛导引律,实现了导弹对脱靶量和攻击角度约束的要求;采用有限时间控制理论对该导引律的收敛特性进行了分析,证明了制导系统状态的全局有限时间快速收敛特性。与传统的非奇异终端滑模导引律相比,本文所提导引律能够在更短的时间内以更小的脱靶量和更高精度的攻击角度对目标实施打击。最后进行了大量的对比仿真实验,仿真结果验证了所提导引律的有效性。      

航空发动机风扇叶片冰雹撞击仿真

为预估航空发动机风扇转子叶片受到冰雹撞击后的损伤情况,基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真。采用SPH方法和带失效应变的弹塑性材料模型建立冰雹数值模型,模拟冰雹撞击铝合金平板过程,仿真结果与试验数据吻合较好。针对冰雹撞击旋转状态风扇转子叶片试验,建立3维风扇转子有限元模型,使用带失效模型的J-C本构模型定义叶片材料性能,采用该冰雹模型对试验过程进行仿真,获得的冰雹撞击过程和叶片损伤与试验结果基本相同,叶片凹陷深度误差小于10%。仿真与试验结果对比表明:风扇叶片冰雹撞击仿真方法能够预估叶片被冰雹撞击后的损伤情况,可用于叶片抗冰雹撞击设计与评估。     

蜂窝夹层板BLE的一种增强型协同优化建模方法

弹道极限方程(BLE)是进行飞行器防护结构设计与空间碎片撞击风险评估的关键技术,基于超高速撞击物理实验数据对已知形式的弹道极限方程进行修正,是获得高可信度新方程的一种常用方法。为了快速准确地获取新方程,以国外131个碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板实验数据为对象,运用增强型协同优化(ECO)方法对Christiansen方程进行优化。结果显示增强型协同优化方法与穷举法的优化结果一致,并给出了计算效率提升比例。为考核修正后方程的适用性,利用铝合金面板的蜂窝夹层板的25个实验数据对修正方程进行检测,结果显示修正方程可以将总体预测率从68%提升至84%,安全预测率从76%提升至92%,绝对误差平方和从0.046 2下降至0.006 3,相对误差平方和从1.046 0下降至0.109 0。     

Determining effects of impact loading on residual strength of fiber-metal laminates with grid-characteristic numerical method

The Grid-Characteristic numerical Method (GCM) that is quite common in solving aero and hydrodynamic problems can also be applied for mechanics of solids. It allows to implement complex border and contact conditions, including the non-reflecting border and the destructible contact. Both this conditions are very important for the precise and effective modeling of Low-Velocity Impacts (LVI) on fiber and Fiber-Metal Laminates (FML) and the resulting Barely Visible Impact Damage (BVID) that influences the residual strength of a composite aircraft part. BVID is the type of damage that is not visible by the naked eye and can be hardly detected by a standard ultrasound equipment that is used for regular maintenance. It can appear during any weak impacts like bird strike or hail. Determining its influence on the residual strength of the part is very important to define the priorities of development of ultrasound diagnostics. In this paper, the GCM was applied for a full cycle of loading of an FML aircraft cover part. The FML consisted of a Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) and a single titanium layer on the upper surface. The cycle of loading in a single calculation consisted of an LVI caused by a small striker and a comparatively slow compressive in-plane loading. Three-dimensional patterns of velocity and stress distributions over the time of calculation are given. Destruction patterns, obtained via the Hashin failure criterion are given and analyzed.     

基于实测值的舰载机着舰下沉速度影响性分析

舰载机的着舰下沉速度是起落架设计的重要输入,对起落架和机体的结构重量有很大影响。为了探索舰载机使用环境下各相关参数对下沉速度的影响,基于E-2C的实测着舰数据,将多元统计学的相关分析方法应用到舰载机着舰参数影响性分析,分析了17个着舰参数与着舰下沉速度的相关性。结果表明飞机下滑角、甲板俯仰角与下沉速度呈高度相关,舰上接合速度与下沉速度呈中度相关,这三者对下沉速度有很大影响;并进一步对这4个着舰参数进行非线性回归分析,拟合了E-2C着舰下沉速度的计算式,所得回归模型决定系数为0.991,平均绝对误差为1.66%,拟合效果很好。     

不同冲击角度外物损伤对TC4钛合金高循环疲劳强度的影响

基于空气炮冲击试验装置在不同冲击角度下进行了TC4钛合金平板试件的外物损伤模拟试验,采用逐级加载试验方法测试获得了光滑和冲击损伤试件的高循环疲劳(high cycle fatigue,HCF)强度,研究了冲击角度、冲击位置以及冲击损伤宏观几何尺寸与HCF强度的关系.结果表明:不同冲击角度下的损伤对HCF强度的影响程度不同.冲击损伤在试件边缘时,30°冲击使试件HCF强度的下降幅度最大;冲击损伤在试件表面时,60°冲击使试件HCF强度的下降幅度最大.试件边缘产生的缺口使HCF强度的下降幅度一般大于试件表面产生弹坑的影响.但在60°冲击时,冲击缺口损伤的影响要小于冲击弹坑损伤的影响.冲击损伤宏观几何尺寸一定程度上可以表征损伤试件HCF强度下降的严重程度.      

复合固体推进剂细观损伤形貌数值模拟

为准确模拟固含量不同时复合固体推进剂细观损伤产生、演化、聚合至宏观裂纹形成的过程,及该过程对复合固体推进剂非线性力学性能的影响,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在AP颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤。利用有限元法,对含损伤颗粒夹杂模型进行计算,通过对比数值仿真结果,研究了固含量及界面损伤对复合固体推进剂细观损伤形貌及宏观力学性能的影响。结果表明,当固含量较低时,颗粒与基体之间界面损伤的聚合往往发生在少部分颗粒之间,随固含量增大,参与界面损伤聚合的颗粒逐渐增多,形成的宏观裂纹越来越明显;颗粒与基体之间的界面损伤,对复合固体推进剂非线性力学性能影响较大,不可忽略。     

应用土壤修正模型的返回器着陆冲击响应预示

在返回器着陆冲击响应预示研究中,土壤模型的准确建立是着陆冲击仿真的关键影响因素,由于土壤特性复杂,目前尚无完善描述冲击下的土壤本构关系模型。为此,文章根据已有的土壤模型,提出结合返回器刚体模拟器着陆冲击试验数据,利用多参数递进方法修正土壤模型中的体积模量、剪切模量和屈服参数,获得土壤修正模型。利用上述土壤修正模型,对刚体模拟器3种试验工况进行仿真,仿真结果与试验结果的误差在±10%以内,证明了修正模型的准确性。利用土壤修正模型对返回器柔性体模拟器建模,得到的柔性体模型着陆冲击仿真结果与试验结果有较高的吻合度。因此,土壤修正模型能准确预示着陆冲击,可为返回器优化设计提供参考。