复合材料加筋板后屈曲承载能力工程分析方法

根据复合材料的力学特性,结合有限元理论和工程经验,提出了一种计算复合材料加筋板结构后屈曲承载能力的工程简化理论与方法,并以复合材料J型加筋板计算模型为例,从工程角度说明了计算后屈曲承载能力的思路与公式.利用该方法通过算例计算,将计算结果与实验结果进行对比,发现该种复合材料加筋板稳定性计算方法可以解决后屈曲的几何非线性带来的计算难度,能保持较高的精度,并可用于飞机结构设计的实际应用中.     

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%。      

T300/QY8911单向板湿热性能模拟与损伤分析

测试了不同湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,建立了湿热条件下复合材料单向板的弯曲有限元模型,模拟了湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,开发了复合材料损伤演化仿真模块,对湿热条件下T300/QY8911单向板弯曲损伤演化过程进行了仿真.结果表明:湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲模量具有较高的保持率,弯曲强度随湿热条件的变化差异较大,模量和强度的模拟结果与试验值的误差分别小于6%和2%,建立的弯曲有限元模型,能够比较准确地预测不同湿热条件下复合材料单向板的弯曲性能.     

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。     

航空用国产碳纤维/双马树脂复合材料湿热特性

针对1种航空用国产T700级碳纤维和4种双马树脂（QY9611、5429、QY9512、QY8911-4），采用3种湿热条件（100℃水煮、70℃水浸、70℃/85%相对湿度）对其复合材料单向层板进行湿热处理，通过研究吸湿量、扩散系数、显微结构、化学成分、耐热温度及力学性能，分析了复合材料的湿热特性。结果表明，4种复合材料在3种湿热条件下的吸湿行为均符合Fick第二扩散定律，100℃水煮时平衡吸湿量和扩散系数最大，70℃/85%相对湿度时两者最小。4种复合材料吸湿速度有明显区别，这与其原材料形式和成型工艺不同有关。湿热处理未导致复合材料内部产生损伤和化学变化，主要引起增塑效应，导致玻璃化转变温度降低。复合材料的90°拉伸性能测试结果表明，高温和吸湿耦合作用下复合材料力学性能衰减更为明显，破坏模式由基体开裂转变为界面脱黏和开裂。      

不同工艺成型复合材料加筋板轴压破坏机理分析

对受到边界约束的不同工艺成型复合材料加筋板进行了轴压试验和数值模拟,研究二次胶接和共固化工艺成型加筋板轴向压缩破坏机理。轴压试验中,通过应变计实时监测试验件局部屈曲,及时记录试验件初始声响载荷,通过断面观测分析结构破坏机理。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟结构后屈曲损伤渐进直至破坏过程。计算结果和试验结果相吻合,研究表明工艺对结构稳定性及承载能力没有显著影响,而加筋板构型影响较大。聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide,PMI)泡沫不影响结构失稳载荷及破坏载荷,但能延缓结构初始损伤的发生。二次胶接成型加筋板界面临近破坏才出现损伤,而共固化成型加筋板界面损伤出现较早且扩展缓慢,表现出更好的损伤阻抗特性。      

低速冲击下复合材料加筋板的损伤阻抗性能

为确定冲击能量、几何尺寸对低速冲击下复合材料加筋板损伤阻抗性能的影响,对3组工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。通过落锤式低速冲击试验,得到了试验件的接触历程、凹坑深度和分层面积等损伤特征。基于引入纤维断裂损伤的各向异性弹塑性理论建立了有限元(FE)模型,对试验件凹坑深度进行了模拟预测,模拟结果与试验结果吻合较好。研究表明,复合材料加筋板凹坑深度随冲击能量的变化曲线存在拐点,拐点后表面冲击部位出现纤维断裂。随着冲击能量的增大,试验件的最大接触力不断增大,而分层起始载荷及分层面积则变化不大。含1.5 mm深凹坑试验件对应的冲击能量和最大接触力随筋条或蒙皮厚度的增大而不断增大,而分层起始载荷仅随蒙皮厚度的增大而增大。      

脱粘尺寸对复合材料单加筋板压缩性能的影响

为确定脱粘缺陷尺寸对轴压载荷下复合材料单加筋板屈曲和后屈曲特性的影响,对4组含不同尺寸脱粘缺陷的工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。试验中通过应变测量和超声C扫描等技术手段对试验件的屈曲及后屈曲过程中的变形和缺陷扩展情况进行了监测。基于ABAQUS软件建立了有限元分析（FEA）模型,采用LaRC03准则对复合材料层内损伤进行判定,采用胶层单元对界面脱粘损伤进行模拟,以几何扰动的形式引入失稳波形,利用FEA模型对试验件的屈曲和后屈曲过程进行了模拟。模拟结果与试验结果吻合较好,根据研究结果对试验件的失效过程和脱粘缺陷扩展机理进行了分析与探讨。研究表明,预制脱粘缺陷尺寸大小对试验件屈曲和后屈曲特性影响较大,对最终破坏模式影响不大。脱粘尺寸的增大会导致试验件承载能力的大幅降低,在复合材料加筋结构损伤容限设计中需要着重考虑。      

湿热环境对CCF800/环氧挖补板拉压性能的影响

针对挖补修理后飞行器在服役期间会经历高温高湿环境，进行了湿热环境对挖补修理层合板（以下简称挖补板）拉压性能影响的研究。首先，测试了4种湿热环境下CCF800/环氧挖补板的拉伸和压缩性能；然后，建立了相应的湿热应力有限元模型，探索了不同湿热环境下挖补板内的湿热应力分布；最后，在此基础上建立了湿热环境下挖补板的拉伸和压缩力学模型，研究了湿热环境对CCF800/环氧挖补板力学性能的影响。试验结果显示，湿热环境使挖补板的承压能力降低，承拉能力提高，这与常理不符。经试验观察和机理分析，发现CCF800/环氧铺层中纤维弯曲是导致湿热环境下挖补板拉伸性能不降反升的主要原因。在考虑湿热环境时，制备CCF800纤维复合材料过程中需要格外注意纤维弯曲问题。      

湿/热/力耦合条件下复合材料结构渐进损伤仿真

发展了湿/热/静力耦合条件下复合材料结构渐进损伤仿真方法,考虑复合材料力学性能的随机分布特性建立有限元模型,改进了湿热条件下复合材料本构关系,以Hashin准则、最大应力准则作为失效判据,完整仿真了不同湿热条件、不同载荷类型作用下复合材料开孔层合板从损伤起始至最终失效的损伤演化全过程,极限强度预测结果与相应试验结果的误差在10%以内,验证了仿真分析方法的有效性.湿热效应对损伤起始和演化的影响表明:由于湿热条件作用,相对于室温干态而言,复合材料开孔层合板的损伤起始的时间提前、所需载荷降低,极限强度和极限应变减小.     

微珠提高玻纤/环氧树脂抗原子氧剥蚀的研究

采用一种新的抗原子氧剥蚀技术来提高航天器用玻璃纤维/环氧树脂复合材料抗原子氧剥蚀的性能,即在玻璃纤维/环氧树脂中加入不与原子氧反应的超细空心微珠颗粒制备出能抗原子氧剥蚀的复合材料.通过对空心微珠/玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备和原子氧剥蚀效应地面模拟试验,发现空心微珠的加入可以有效提高玻璃纤维/环氧树脂抗原子氧剥蚀的性能,在60 h的原子氧试验中,加有空心微珠的复合材料的原子氧剥蚀率可以减小到未添加空心微珠材料时的11％.      

激光焊接带口盖加筋壁板剪切性能分析

针对双光束激光焊接带口盖加筋壁板开展了剪切稳定性试验,分析了带口盖加筋壁板在受剪状态下的屈曲载荷、屈曲形式、后屈曲承载能力及破坏形式。建立了壁板与剪切夹具的有限元模型,对壁板的剪切失稳形式及后屈曲承载能力进行仿真计算,并探究了口盖对加筋壁板的承载能力、应力变化及面外变形的影响。结果表明:带口盖加筋壁板在剪切状态下,当屈曲比达到1.95时,加筋壁板进入后屈曲,最终破坏载荷约为屈曲载荷的2.98倍。仿真与试验得到的载荷-位移曲线较为吻合,有限元法得到的屈曲载荷和破坏载荷与试验平均值误差分别为8.7%、1.02%。开口壁板的承载能力及刚度均下降,螺栓紧固口盖对加筋壁板的应力与面外变形影响较大。      

复合材料加筋板筋条修理后的压缩性能

承受压缩载荷时,筋条损伤往往造成复合材料加筋板结构的严重失效.针对筋条壁板脱黏、腹板分层、上缘条损伤3种情况分别设计了相应的修理方案并制作了试验件.为保证压缩载荷的均匀施加,设计制作了加筋板试验专用夹具,含有固定试验件的卡槽和保证加载方向沿竖直方向的导轨.筋条修理后的复合材料加筋板的轴向压缩试验表明不同修理部位、不同修理方法对加筋板的力学性能影响不同.有限元分析表明加筋板的屈曲模态、整体破坏模式以及板-筋胶层的破坏情况都受到修理方案的影响.      

Viscoelastic characterization of polymers for deployable composite booms

Deployable space structures are being built from thin-walled fiber-reinforced polymer composite materials due to their high specific strength, high specific stiffness, and designed bistability. However, the inherent viscoelastic behavior of the resin matrix can cause dimensional instability when the composite is stored under strain. The extended time of stowage between assembly and deployment in space can result in performance degradation and in the worst case, mission failure. In this study, the viscoelastic properties of candidate commercial polymers consisting of difunctional and tetrafunctional epoxies and thermoplastic and thermosetting polyimides were evaluated for deployable boom structures of solar sails. Stress relaxation master curves of the candidate polymers were used to predict the relaxation that would occur in 1 year at room temperature under relatively low strains of about 0.1%. A bismaleimide (BMI) showed less stress relaxation (about 20%) than the baseline novolac epoxy (about 50%). Carbon fiber composites fabricated with the BMI resin showed a 44% improvement in resistance to relaxation compared to the baseline epoxy composite.     

厚度和环境对复合涂层导电性能的影响

为了给数字化刻铣曲面频率选择表面(FSS)结构的制作和加工提供参考和依据,对比研究了含片状银粉颗粒的聚氨酯基和环氧树脂基2种复合导电涂层的基本性能,并通过环境加速试验,重点研究了温度、湿度以及腐蚀气氛对2种导电涂层的界面强度、微观结构和导电性能的影响.通过电桥法测量涂层表面电阻的变化,并通过扫描电境观察环境试验前后,涂层表面和剖面的微观结构和形貌变化.试验结果表明:聚氨酯基涂层的综合性能优于环氧树脂基涂层;在实验所涉及的参数变化范围内,环境因素对2种涂层与基体的界面结合影响不大,但对其导电性能的影响比较明显.环境因素对导电性能的削弱作用,源于相应过程中导电涂层的微观结构损伤.     

空心微珠用于环氧树脂抗原子氧剥蚀试验研究

提出一种新的航天器用树脂基材料抗原子氧剥蚀的方法,即在航天器用树脂基材料中添加与原子氧不反应的超细颗粒材料,用于提高其抗原子氧剥蚀的性能.在制备出超细空心微珠颗粒增强的环氧树脂复合材料的基础上通过原子氧暴露实验,发现空心微珠的加入可以有效地提高环氧树脂抗原子氧剥蚀的性能.同时,空心微珠的表面性态对制备的复合材料抗原子氧剥蚀性能具有重要的影响,经过表面改性处理可以进一步提高复合材料抗原子氧剥蚀的性能.      

预浸料贮存时间对MT700/603复合材料力学性能的影响

以碳纤维增强环氧树脂热熔预浸料MT700/603为研究对象，开展室温贮存时间与预固化度的关联性分析，研究预浸料预固化度对复合材料成型质量和关键力学性能的影响机制，建立预浸料贮存时间-预固化度-制品性能三者之间的内在联系。结果表明:随着室温贮存时间的延长，60 d后603环氧树脂的最低黏度增加了4.6倍，玻璃化转变温度增加了17.9 ℃，预固化度为11.2%；MT700/603预浸料贮存时间小于30 d时，制备的复合材料内部质量良好，纤维分布较为均匀，孔隙率较低，树脂的预固化度在5.3%以内，孔隙率低于0.03%；复合材料更倾向依赖于树脂基体破坏的纵向压缩强度和压缩模量对孔隙率的敏感度，要高于倾向依赖于纤维增强体破坏的纵向拉伸强度和拉伸模量；预浸料在室温贮存时树脂预固化度增加，黏度增大，加压时机与树脂黏度变化不匹配是导致复合材料构件关键力学性能下降的根本原因；根据产品的力学性能指标要求，结合不同贮存时间的关键力学性能数据，可反推出预浸料的最长室温贮存时间，实现了预浸料可用性的定量化评估。      

复合材料开孔层压板压缩长期强度预测

Accelerated testing methodology (ATM) predicts long-term strength in low temperature with short-term in high temperature, which is based on the viscoelasticity of matrix and the time-temperature superposition principle (TTSP). The strain invariant failure theory (SIFT) was modified by using micro maximum strain criteria to judge fiber tensile and compressive failure. Master curve of storage modulus of epoxy resin and the time-temperature shift factors were tested from dynamic mechanical analysis(DMA). Master curves of SIFT critical parameters were constructed by tension and compression test for unidirectional carbon fiber reinforced plastics (CFRP) under various temperatures with the time-temperature shift factors of matrix resin. Long-term compression strength of open-hole composite laminates was predicted based on SIFT/ATM combined method. The damage process of fiber and matrix was simulated by progressive damage analysis as well. Good agreement between numerical results and experiments was observed, which demonstrates the applicability of this method.