含穿透损伤复合材料加筋板轴压试验研究

分别选取复合材料加筋板结构中三处典型位置进行落锤冲击损伤试验,产生穿透损伤,对损伤试件进行轴向压缩试验,得到屈曲失稳载荷及破坏载荷,并将试验结果与完好试件的试验结果进行对比,分析穿透损伤对结构压缩承载能力的影响。结果表明,筋条区蒙皮的冲击穿透损伤会使得结构的压缩局部屈曲载荷和压缩强度有较为明显的下降,而筋条间蒙皮和筋条凸缘处的穿透损伤对结构的压缩结果影响较小。另外,试验表明,含筋条凸缘穿透损伤的结构在压缩破坏过程中会出现较为明显的损伤扩展。试验结果可以为该型结构的工程应用提供有价值的参考。     

胶接和共固化成型对复合材料加筋板压缩性能的影响

为了研究胶接和共固化成型的复合材料加筋板的压缩性能,本文首先开展了两类加筋板轴压试验。然后,建立了渐进损伤有限元模型,模拟加筋板压缩失效过程。复合材料根据Hashin准则判定其失效,蒙皮和筋条间界面采用二次应力准则作为损伤起始判据。通过引入指数形式的损伤状态变量,直接折减材料失效点刚度矩阵来模拟材料的失效过程。随后,根据试验和有限元结果,详细讨论了加筋板的压缩过程。结果表明,两类加筋板失效模式一致,而胶接加筋板比共固化加筋板压缩承载能力略高。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩屈曲特性

分别应用工程算法和有限元软件ANSYS对碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板的压缩稳定性进行了分析,得到了加筋板的临界失稳屈曲载荷和屈曲模态;同时对复合材料加筋板进行了压缩稳定性试验,并与计算结果进行了对比验证。结果表明:碳纤维增强环氧树脂复合材料加筋板具有后屈曲承载能力,其压缩破坏形式主要为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂;工程算法结果、有限元计算结果与试验得到的临界屈曲载荷误差分别为13.8%和-15.5%,结果较吻合,证明了工程算法的正确性和有限元模拟方法的合理性。     

筋条参数对复合材料加筋壁板剪切承载能力的影响

通过对飞机上大量使用的复合材料加筋壁板进行剪切试验,得到了不同筋条间距和腹板高度下加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷,分析了筋条间距和腹板高度对加筋壁板剪切承载能力的影响。结果表明:随着筋条间距增大,加筋壁板由局部屈曲变为整体屈曲,屈曲载荷和破坏载荷均逐渐减小;随着腹板高度增大,加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷均增大,当腹板高度达到35mm时则基本不再变化,分别保持在425kN和775kN左右。     

湿热环境对复合材料加筋板压缩性能的影响

使纤维增强树脂基复合材料加筋板在70℃、水浴条件下达到吸湿平衡,然后对普通加筋板和吸湿平衡后加筋板进行压缩试验,研究了湿热环境对复合材料屈曲形式、屈曲载荷、破坏载荷和承载能力的影响。结果表明:两种加筋板的破坏形式均主要表现为筋条的脱胶、断裂和蒙皮的撕裂,吸湿后的加筋板仍存在后屈曲过程,但其屈曲载荷下降了8.4%,破坏载荷下降了19.2%。     

筋条形式和制造工艺对轴压载荷下钛合金加筋板力学行为模式的影响分析

加筋壁板是航空结构中常用结构形式,不同筋条形式和不同制造工艺会影响其力学行为及其失效模式.针对钛合金加筋板,采用有限元方法建立数值计算模型,研究了T型、L型和Z型3种不同截面形式筋条对加筋板的屈曲模态和破坏形式的影响机制,分析了焊接、点焊和铆接不同制造工艺对加筋板的屈曲载荷和后屈曲特性的影响.结果 表明:T型加筋板的屈...     

损伤位置对复合材料加筋壁板轴压承载能力的影响

通过落锤冲击试验分别在复合材料加筋壁板的蒙皮中央、长桁平筋边缘和长桁轴线处冲击出深约1mm的凹坑,然后对其进行轴压试验,研究了损伤位置对加筋壁板轴压承载能力的影响,并与未损伤试样进行了对比。结果表明:损伤位置对复合材料加筋壁板轴压承载能力有很大影响,损伤位于蒙皮中央、长桁平筋边缘、长桁轴线处加筋壁板的屈曲载荷分别为未损伤加筋壁板的83.1%,90.7%,96.1%,破坏载荷分别为未损伤加筋壁板的90.2%,84.8%,79.7%;蒙皮对加筋壁板的整体稳定性起主要作用,筋条对加筋壁板的最终承载能力起主要作用。     

含预制脱粘的加筋壁板损伤扩展

复合材料加筋壁板在制备过程中容易在筋条蒙皮胶界面处存在缺陷,加速了蒙皮与筋条界面脱粘,在极大程度上影响结构的承载能力。基于Abaqus有限元软件用内聚力模型(CZM)和虚拟裂纹闭合技术(VCCT)两种方法对筋条蒙皮界面含预制脱粘的加筋壁板损伤扩展进行研究,并对比试验结果验证了模型的合理性。给出预制脱粘前缘损伤起始时各型能量释放率的分布;进一步研究不同预制脱粘的位置、面积对加筋板最终破坏状态和结构承载能力的大小。对比发现脱粘前缘损伤起始时II型能量释放率的贡献最大;预制脱粘位于外侧时结构的承载能力比位于中部强;结构的承载能力随着预制脱粘面积的增加而减小。     

湿热环境下复合材料加筋壁板压缩屈曲与后屈曲行为的有限元模拟

制备了CCF300碳纤维/BA9916-II环氧树脂复合材料加筋壁板，研究了该加筋壁板在干态和湿热状态下的压缩行为；建立加筋壁板有限元模型，使用经验公式对湿热环境下的材料参数进行修正，通过模拟分析了不同状态加筋壁板的压缩屈曲与后屈曲行为，并进行了试验验证。结果表明：加筋壁板在干态与吸湿状态下均有较强的后屈曲承载能力；湿热环境会对加筋壁板稳定性与承载能力造成较大负面影响，随吸湿时间延长，其屈曲及破坏载荷均呈先快后慢的下降趋势；模拟得到干态加筋壁板的屈曲载荷和破坏载荷与试验结果的相对误差分别为3.1%和5.2%,吸湿饱和态下的相对误差分别为5.6%和6.9%,误差较小，证明了所采用模拟方法的准确性和所建立有限元模型的合理性。     

复合材料壁板后屈曲分析失效准则的适用性研究

为了筛选用于复合材料加筋壁板后屈曲分析的失效准则,设计了具有较长后屈曲历程的L型加筋条试验件,并对其进行压损破坏试验,同时建立了考虑渐进损伤的有限元模型,计算得到了载荷-应变曲线,屈曲载荷和破坏载荷。计算结果和试验数据吻合良好,预测的失效模式也与试验结果一致,验证了建模方法的有效性。并在有限元分析中分别采用了五种不同的失效准则进行计算,得到了各失效准则对应的破坏载荷和失效模式,表明通过L型加筋条试验和分析结合,可以对各个失效准则的有效性进行验证,避免失效准则选取的随意性,从而为复合材料加筋壁板后屈曲设计分析提供指导。     

面向动力学性能的薄壁加筋板结构阻尼与筋条布局协同优化设计

为减小薄壁加筋结构在动态环境下的振动,提出了加筋肋布局和阻尼层拓扑一体化设计方法。以含表层阻尼材料的薄壁加筋板结构为研究对象,结合阻尼材料惩罚模型与基结构优化方法,引入筋条密度和阻尼单元密度两类独立设计变量,考虑筋条和阻尼材料的体积约束,建立最小化动态柔度的阻尼材料拓扑和筋条布局的协同优化模型,实现面向动态响应最小化的含阻尼层的薄壁加筋结构最优设计。通过不同阻尼、不同频率下的含表面阻尼层加筋板的多个数值算例,验证了所提方法和模型的有效性。     

Optimum shape for buckling and post-buckling behavior of a laminated composite panel with I-type stiffeners

A shape optimization of stiffener was conducted to increase buckling load or failure load with stiffened laminated composite panel of I-type under compression loading. Design variables are cap length, web length, and/or thickness under the constraint of volume constancy. The objective function is buckling load and failure load of post-buckling based on Tsai-Hill theory using ABAQLJS 5.8 for analysis and Optimizer on Broydon-Fletcher Goldfarb-Sharno Method and Augmented Lagrange Multiplier Method. The effects of relative length of a web and a cap of stiffener on buckling load and failure load of post-buckling were investigated with the results of optimum design.     

轴压下复合材料加筋板的损伤抑制带设计

采用ABAQUS有限元软件建立复合材料加筋板模型,分析了轴压载荷下损伤抑制带对损伤扩展的抑制效果以及对承载能力的影响。分析损伤抑制带数量和其沿蒙皮的分布等设计变量对结构剩余强度的影响,并提出损伤抑制带的设计规律。     

复合材料结构修理容限的确定

从工程应用的角度探讨了进行复合材料飞机结构损伤修理容限需要进行研究的相关问题，针对普通层压板和加筋板等结构的主要损伤形式，提出了针对修理容限问题较为系统的总体研究方案。结合结构的具体损伤形式指出了修理容限研究中需要进行理论分析和试验研究的内容，为不同材料同类结构修理容限的研究提供参考。     

Numerical analysis of static performance comparison of friction stir welded versus riveted 2024-T3 aluminum alloy stiffened panels

Most researches on the static performance of stiffened panel joined by friction stir welding（FSW） mainly focus on the compression stability rather than shear stability. To evaluate the potential of FSW as a replacement for traditional rivet fastening for stiffened panel assembly in aviation application, finite element method（FEM） is applied to compare compression and shear stability performances of FSW stiffened panels with stability performances of riveted stiffened panels. FEMs of 2024-T3 aluminum alloy FSW and riveted stiffened panels are developed and nonlinear static analysis method is applied to obtain buckling pattern, buckling load and load carrying capability of each panel model. The accuracy of each FEM of FSW stiffened panel is evaluated by stability experiment of FSW stiffened panel specimens with identical geometry and boundary condition and the accuracy of each FEM of riveted stiffened panel is evaluated by semi-empirical calculation formulas. It is found that FEMs without considering weld-induced initial imperfections notably overestimate the static strengths of FSW stiffened panels. FEM results show that, buckling patterns of both FSW and riveted compression stiffened panels represent local buckling of plate between stiffeners. The initial buckling waves of FSW stiffened panel emerge uniformly in each plate between stiffeners while those of riveted panel mainly emerge in the mid-plate. Buckling patterns of both FSW and riveted shear stiffened panels represent local buckling of plate close to the loading corner. FEM results indicate that, shear buckling of FSW stiffened panel is less sensitive to the initial imperfections than compression buckling. Load carrying capability of FSW stiffened panel is less sensitive to the initial imperfections than initial buckling. It can be concluded that buckling loads of FSW panels are a bit lower than those of riveted panels whereas carrying capabilities of FSW panels are almost equivalent to those of riveted panels with identical geometries. Finite elem     

加筋平托盘均布载荷作用下的变形研究

根据板的小变形理论,对平托盘次要结构进行简化,将加筋平托盘面板看成厚度变化的加筋平板,利用在均布载荷条件下板的变形公式,解出了此时的加筋板变形挠度解,并通过改变加筋板各几何参数,得到了加筋板不同的刚度分布,进而分析对最大变形的影响。研究表明,加筋板各几何参数在不同的取值范围对板的最大变形贡献有差异。为筋的厚度与面板厚度之间尺寸的协调设计提供了依据,对平托盘在结构尺寸的初期设计,如何分布配置材料具有一定的实际指导意义。     

复合材料加筋板在剪切载荷下的屈曲特性研究

通过对复合材料薄壁加筋板结构进行剪切载荷下的屈曲试验研究,得到结构的屈曲模态、屈曲失稳载荷以及破坏形式,并通过有限元方法对结构的屈曲进行数值分析,分析得到的复合材料薄壁加筋板结构的屈曲模态和试验结果一致,屈曲载荷与试验结果吻合较好.试验还发现复合材料薄壁加筋板结构有较高的后屈曲承载能力,后屈曲过程中由于桁条脱胶会造成屈曲模态的变化.还分析了筋条的连续性对屈曲载荷的影响.     

加筋板广布疲劳损伤的剩余强度分析

给出加筋板广布疲劳损伤的两种损伤类型和两个剩余强度判据,剩余强度判据是净截面塑性区屈服判据和裂尖韧带屈服判据.给出蒙皮带有多裂纹和蒙皮带有多裂纹且桁条也带有裂纹时应力强度因子的近似工程估算方法.文中也给出加筋板含多裂纹时剩余强度净截面塑性区屈服判据和裂尖韧带屈服判据的表达式及塑性区尺寸估算方法.对三种损伤的加筋板进行剩余强度试验,指出多裂纹尤其是桁条也带裂纹时剩余强度降低较多.用上述两种判据进行加筋板广布疲劳损伤剩余强度预测,预测结果和试验结果比较符合.     

V形切口复合材料试件拉伸破坏声发射监测

通过对V形切口复合材料试件单向拉伸、分级加卸载拉伸试验及声发射实时监测,研究含切口缺陷复合材料拉伸损伤破坏及其声发射响应特征.结果表明:复合材料切口试件拉伸损伤破坏与声发射特征参量相关;切口尖端的高应力状态导致该区域过早损伤破坏并扩展,且对应较高的声发射相对能量、幅度和急剧增加的撞击数;声发射定位源主要集中在位于试件中部的切口尖端及其扩展区域.     

钢桥腹板间隙出平面变形影响因素敏感性分析

钢桥腹板间隙处的出平面变形破坏是钢桥破坏的常见形式之一。通过有限元数值模拟的方法,计算了不同腹板间隙大小,腹板厚度,以及肋板刚度的情况下,腹板间隙处范式等效应力和出平面位移量的分布规律;采用敏感性分析方法,计算了最大范式等效应力和最大出平面位移量对腹板间隙大小,腹板厚度,肋板刚度的敏感性程度。提出参数变化范围内,系统特性对影响因素平均敏感度的概念。研究表明,最大范式等效应力对腹板间隙大小最敏感,最大出平面位移量对腹板厚度最敏感。在实际应用中,采用合适的腹板间隙大小可以使最大范式等效应力最小,通过增加腹板厚度可以同时减小腹板间隙处的最大等效应力和最大出平面位移量,肋板采用较柔性的材料,能够有效减少腹板间隙处的出平面变形。