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.     

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。      

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.      

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。      

复合材料层合板开口补强研究

对大开口复合材料层合板（包括拉伸板和剪切板）不同补强型式进行了实验和计算研究，有限元计算与实验结果吻合较好，研究表明，插层补强优于面外补强，对称补强优于非对称补强，非对称补强和凹陷板的偏弯影响很大，凹陷板强度甚致低于未补强板。     

复合材料层压板低速冲击行为及剩余拉伸强度

通过实验研究了复合材料层压板的低速冲击行为和剩余拉伸强度。首先,通过冲击实验研究了冲头类型和铺层形式对层压板冲击响应的影响,并通过凹坑深度、损伤投影面积、冲击力和冲击能量转化等对冲击损伤特性进行评估。其次,通过准静态拉伸实验调查了层压板的冲击后拉伸响应和剩余拉伸强度。最后,分析了冲头类型和铺层形式对层压板冲击行为和剩余拉伸强度的影响机理。结果表明:冲头类型对层压板冲击损伤的影响与冲击接触面投影面积和凹坑深度的函数关系密切相关;在较高的冲击能量下,条刃形冲头是造成损伤的关键冲击威胁,而立方角形冲头造成的损伤相对不严重;铺层形式对层压板的冲击损伤阻抗性能和拉伸断裂形貌有明显的影响。      

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。      

碳纤维增强镁基复合材料的界面反应和拉伸性能研究

采用气压浸渗法, 制备了碳纤维增强镁基复合材料. 实验中分别选用了c.p.Mg, AZ31 和AZ91 三种基体材料进行研究. 分别采用了扫描电子显微镜(SEM) 和透射电子显微镜(TEM) 分析了复合材料的拉伸断口和界面微区. 结果发现, 随着基体中Al 含量的增加, 界面处的化学反应逐渐加剧, 界面处不同程度的化学反应导致了不同的界面结合状态和界面结构.采用纯镁基体时, 界面呈现弱结合; 采用AZ31 和AZ91 为基体材料时,界面处出现针状反应产物, 且界面结合都较强.     

三维编织复合材料强度的数值预报

在实验研究和有限元分析的基础上,提出了一种经验性强度失效判据,并利用刚度预报的模型和有限元分析的结果,进一步提出了强度预报的方法.强度计算的结果表明: 预测值与拉伸实验的结果基本相符.     

聚合物基复合材料凸头螺栓连接研究进展

机械连接是聚合物基复合材料最典型的连接方式,因其在连接工艺性和可靠性方面的优势,使其在航空航天制造领域得到了广泛应用。对凸头螺栓连接聚合物基复合材料接头的研究进展进行综述。回顾了复合材料接头的机械连接形式,讨论了在拉伸加载下的失效过程,详细论述了复合材料接头的损伤模式;重点讨论了复合材料接头力学性能影响因素的研究进展,包括复合材料性能（纤维类型、增强体结构形式、纤维与金属混杂层板、铺层角度及比例、固化工艺、初始材料缺陷）、紧固件性能（紧固件刚度、钉头型式、螺栓直径、螺纹密封、间隙配合、干涉配合、紧固件缺失）、连接板性能、侧向约束（拧紧力矩、预紧面积、补偿垫片、接触面摩擦因素）、几何效应（复合材料板尺寸、板厚与孔直径比、层合板宽度与孔直径比、孔端距与孔直径比、螺孔形状、螺孔质量、螺孔位置误差）、载荷（静载荷、动态载荷、疲劳载荷、蠕变、松弛、温湿载荷）等;对聚合物基复合材料凸头螺栓连接的未来研究方向进行了展望。     

低黏度环氧树脂硼胺-酸酐复合固化体系研究

为探究低黏度环氧树脂复合固化反应机理,研究了低黏度环氧树脂硼胺-酸酐复合固化体系的流变性能和固化反应过程,分析了硼胺-酸酐复合比例对复合固化体系流变特性和固化反应过程的影响;利用流变学参数确定了复合固化体系的固化起始时间、凝胶时间点及基于阿伦尼乌斯方程的固化反应活化能。研究结果表明,随着硼胺-酸酐复合固化体系中酸酐复合比例的增加,体系固化反应获得促进,其固化起始时间和凝胶点均降低,同时基于阿伦尼乌斯方程的固化反应活化能降低;采用非等温差示扫描量热（DSC）对硼胺-酸酐复合固化体系过程进行分析,结果表明硼胺-酸酐复合固化体系存在相对独立的双放热峰,随着酸酐复合比例的增加,低温放热峰的峰值增大,高温放热峰的峰值减小,且双峰的峰值温度向高温方向移动。根据2种固化剂的固化反应机理分析,环氧树脂硼胺-酸酐复合固化体系中硼胺固化剂和酸酐固化剂既存在相互协同效应又存在相互竞争作用。      

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。      

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％.      

有机硅烷提高航天器树脂材料抗原子氧剥蚀

为了提高航天器树脂材料的抗原子氧剥蚀的性能,把缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷加入到环氧树脂中,并对所制成的环氧树脂试样进行原子氧效应地面模拟试验,对试验前后试样的质量损失、表面形貌、表面成分和结构的变化进行了对比和分析.结果表明,添加有机硅烷可以有效地提高环氧树脂的抗原子氧剥蚀性能,试样表面在原子氧的作用下生成了一种三维网状结构,该结构有效地阻止了原子氧对底层材料的进一步剥蚀,使试样的质量损失和剥蚀率明显下降.50h实验之后,添加了质量分数为25.0%的有机硅烷,该材料的剥蚀率约为纯环氧树脂的25%.      

环氧共混树脂的光固化及其表面化学反应

研究了双酚A型环氧树脂与有机硅环氧树脂紫外光辐照共混改性的工艺条件,并采用扫描电镜和X射线光电子能谱等分析手段对树脂改性效果和表面的物理和化学变化进行了研究.结果表明,采用二苯基碘鎓六氟磷酸盐为光引发剂,当质量分数为5％时,随着E-44含量的增加,共混树脂体系的光固化速度加快.当两者质量比为1∶ 2时,经15min的紫外光辐照后,共混树脂体系的凝胶率可达93％.X射线光电子能谱分析结果表明,在光固化的同时,试样的表面被紫外光辐照时产生的臭氧和原子氧部分氧化,转化为一层含C的氧化硅(SiO _{x )膜.}      

环氧树脂电子束固化微观结构及其影响因素

采用扫描电镜对不同固化时间下电子束固化环氧树脂的微观结构进行观察和分析,探讨其形成过程,并研究了树脂分子结构、相对分子质量、树脂体系组分及辐射条件对微观结构的影响. 实验结果表明,环氧树脂经电子束固化后形成片层结构,树脂分子结构和分子量对其固化微结构的影响不大;不同结构、分子量的环氧树脂电子束固化过程中均会经历预聚体结构—圆片网络—圆片形成—圆片增长的生长过程,故其微观结构都呈现圆片状形貌;随着辐射剂量的增加,圆片逐渐增大;存在最佳引发剂用量,使圆片尺寸达到最小.