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%。      

屈曲模态对含缺陷复材加筋板后屈曲的影响

某些结构类型的复合材料加筋板,由于一阶和二阶屈曲载荷十分接近,在压缩失稳时,相同的试验件会出现不同的失稳模态,并表现出明显不同的后屈曲承载能力。就此问题,进行了试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过影像云纹法和超声C扫技术监测试验件的失稳模态及缺陷扩展情况,以确定不同失稳模态对相同试验件后屈曲承载能力的影响。基于ABAQUS软件建立有限元模型,采用虚拟裂纹闭合技术（VCCT,Virtual Crack Closure Technology）模拟含预置脱胶缺陷的筋条-蒙皮界面,将失稳波形以几何扰动的形式引入后屈曲分析。通过分析缺陷前缘应变能释放率,研究两种模态下缺陷扩展特性。计算结果与试验结果相吻合,研究表明两种模态下缺陷的扩展特性明显不同,导致该型加筋板在3个半波失稳模态下的后屈曲承载能力明显高于2个半波模态下的后屈曲承载能力。     

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。      

复合材料叠层板的非线性热分析

复合材料在航空航天工业领域内的应用需进行非线性热分析，即材料热特性的温度相关性及边界条件的非线性，对Ｒｏｌｆｅｓ在９０年代初提出的热叠层理论进行了修正和发展：给出了整个材料叠层板的二次傅里叶热传导定律；发展八节点二次热叠层单元；编制相应的程序，进行了数例计算，与已知解比较，结果良好，其结果可用于复合材料叠层板的热分析与设计。     

复合材料夹层结构的逐渐破坏计算模型

建立了可以预测面内破坏、分层破坏和芯层破坏的复合材料夹层结构逐渐破坏模型.利用能量变分原理和非线性几何方程,以反对称失稳为例导出了考虑剪切效应夹层板的非线性稳定性控制方程组,并利用广义傅氏级数法对此高阶偏微分非线性方程组进行数值求解,在此基础上利用蔡-胡及最大剪应力强度理论及刚度退化规律得到复合材料夹层板的临界载荷、后屈曲路径、破坏过程和强度极限.      

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.      

整体次加筋壁板屈曲载荷近似计算方法

为了在初步设计阶段能够快速计算整体次加筋板的失稳载荷,在一些合理假设的基础上,提出了一种简单的近似计算方法.以无缺陷的四边简支的矩形次加筋板为研究对象,针对该结构的3种失稳形式,利用传统加筋板理论分别计算相应的屈曲载荷,并以3种失稳形式中最小的临界屈曲载荷作为整体次加筋板的近似屈曲载荷.应用ABAQUS软件的屈曲线性摄动步方法分别计算了两组有限元模型:一组用来验证3种失效形式理论公式计算的准确度;另一组是整体次加筋板有限元模型,用以验证所提出的次加筋板屈曲载荷计算方法的适用性.以上研究均考虑了纵向压缩载荷和压剪组合载荷两种工况.计算结果表明,理论近似计算方法能够准确地计算次加筋板的失稳载荷,有一定的工程应用价值.      

复合材料端框渐进损伤分析方法与试验

针对复合材料格栅加筋圆筒的上下端框,进行了3种不同尺寸和铺层顺序的端框片段模型的拉伸试验,得出其破坏形式和极限载荷.建立端框的有限元模型,基于不同的强度理论进行端框的渐进损伤分析,并对计算结果进行比较.以Zinoviev强度理论为基础,从破坏判据和刚度衰减两方面将其扩展为三维理论,并结合Hashin准则进行破坏模式的判断,形成了改进的Zinoviev强度理论,并以此进行端框模型的损伤演化分析和强度预报,数值模拟结果与试验结果取得了很好的一致性.     

复合材料开孔层板压缩渐进损伤分析

首先,针对纤维增强复合材料开孔层板进行了压缩试验,通过微距数显设备、电镜扫描和X光扫描设备检测了加载过程中的渐进损伤和试验件最终破坏模式,观测了损伤起始和45°与90°铺层间的分层现象. 其次,将复合材料开孔层板失效分为层内失效和层间失效,基于细观损伤力学MMF3理论和界面胶层单元方法建立了开孔压缩损伤跨尺度分析模型.最后,应用该模型对开孔压缩损伤起始、损伤扩展和层板破坏模式进行了预测,获得了纤维和基体损伤起始位置、分层产生位置及扩展过程、最终的分层和压入破坏等计算结果.计算结果与试验结果获得了较好的吻合,表明该计算模型适用于分析复合材料开孔压缩渐进损伤问题.      

飞机复合材料构件设计、分析和制造数据集成

实施复合材料构件数字化定义是实现复合材料构件设计、分析和制造数据集成的基础.复合材料构件数字化定义包括几何建模和材料结构建模.总结了材料结构建模过程和材料铺放数据的组成,指出当前复合材料构件分析无法基于最终的真实纤维路径进行,采用离散三角形单元的真实纤维路径来近似铺层纤维的最终状态,并利用可扩展标记语言(XML,Extensive Markup Language)文件对材料铺放数据进行了描述,探讨了通过纤维路径数据到有限元网格的自动映射实现材料铺放数据的自动传递.最后,研究了设计数据到排样下料系统和激光投影系统的集成和接口数据组织方法.      

复合材料层合梁自由振动的区间分析

利用区间数学研究了具有有界不确定结构参数的复合材料层合梁自由振动问题.将不确定结构参数用区间向量进行定量化,结合区间数学与Taylor级数,提出了求解具有不确定结构参数的复合材料层合梁自由振动问题的区间分析法.与传统的概率分析方法相比,它只需不确定参数所在范围的界限,而不需要其它任何概率统计信息来确定结构振动固有频率的变化区间.通过数值算例,将非概率区间分析法和概率分析方法进行了比较,可看出由区间分析方法得到的固有频率区间包含由概率方法得到的固有频率区间,即概率方法得到的区间宽度比区间分析方法得到的区间宽度要"紧",表明了区间分析方法的可行性和有效性.