飛機(jī)復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)失效機(jī)理與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、復(fù)合材料薄壁加筋結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮層合板結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，并易于實(shí)現(xiàn)高效減重，目前已成為航空航天結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式。該類結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用涉及加筋形式與截面設(shè)計(jì)、工藝制備、選型分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和承載能力驗(yàn)證等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中，在各個(gè)環(huán)節(jié)都涉及到一些關(guān)鍵力學(xué)問題。解決好這些基本問題可以極大提高此類結(jié)構(gòu)的承載效率，大幅提高減重效果。
　　本文首先以復(fù)合材料帽型加筋壁板結(jié)構(gòu)為例，開展了硅橡膠熱膨脹成型工藝固化過程中樹脂壓力研究

2、，探討了其中的關(guān)鍵工藝力學(xué)問題；對不同截面形式的單向加筋壁板結(jié)構(gòu)在軸壓載荷下的破壞過程進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和有限元數(shù)值仿真模擬，獲得了不同截面形式單向加筋壁板的失效行為特征，分析了其失效機(jī)理；進(jìn)而選取帽型和工字型兩種典型加筋壁板結(jié)構(gòu)，開展了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，并針對工字型復(fù)合材料加筋壁板進(jìn)行了單軸載荷多約束條件下的結(jié)構(gòu)效率分析，得到了一些有益的結(jié)論；在單向加筋壁板力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，開展了格柵加筋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析和總體屈曲性態(tài)研究，并開發(fā)了應(yīng)用

3、分析軟件。具體工作包含以下四個(gè)方面：
　?。?）采用硅橡膠熱膨脹工藝制備了碳纖維復(fù)合材料加筋壁板，利用不同尺寸的硅膠芯模及在線樹脂壓力測試系統(tǒng)測試，分析了成型過程中硅膠芯模熱膨脹壓力和復(fù)合材料制件內(nèi)部樹脂壓力的變化規(guī)律，考察了硅膠芯模截面設(shè)計(jì)對加筋壁板成型壓力的影響。結(jié)果表明：采用在線樹脂壓力測試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件內(nèi)部樹脂壓力的測試；工藝間隙和硅橡膠內(nèi)的溫度分布對樹脂壓力及硅橡膠的熱脹壓力有重要影響。面向制備碳纖維復(fù)合材料帽

4、型長桁壁板采用硅橡膠熱膨脹工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品形狀和尺寸的精度控制，有效降低加筋壁板的制造缺陷的實(shí)際工程問題。對不同形式的硅膠軟模在固化升溫過程中的形狀和尺寸變化進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，分析結(jié)果對實(shí)現(xiàn)最佳維型效果的硅膠軟模細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，對減少利用試驗(yàn)進(jìn)行不斷試錯(cuò)的過程、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。
　　（2）采用試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了工型和帽型等復(fù)合材料單向加筋壁板在壓縮載荷作用下的屈曲行為和破壞模式。采用無損檢測光學(xué)手段

5、來非接觸探測壁板表面的全場屈曲撓度，捕捉屈曲模態(tài)演化過程和破壞模式，基于光學(xué)原理進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和圖像還原；建立了基于有限元分析平臺(tái)的數(shù)值模擬方法，預(yù)測了帽型加強(qiáng)筋壁板復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的屈曲與后屈曲行為，用定量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來對比數(shù)值預(yù)測的壁板屈曲形狀，對比試驗(yàn)和數(shù)值分析的位移的差異性，得到了此類結(jié)構(gòu)在靜壓縮載荷作用下的破壞機(jī)理。
　?。?）針對工型和帽型加筋壁板的幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)破壞模式和承載能力的影響開展了系統(tǒng)研究，并開展了復(fù)合材料格柵加

6、筋結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析方法研究；通過建立復(fù)合材料單向加筋壁板單元的基本力學(xué)假設(shè)和計(jì)算分析模型，提出了一種多約束條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)效率快速分析的方法，并利用該方法對典型的復(fù)合材料單向加筋壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)效率分析，得到了其結(jié)構(gòu)效率隨各設(shè)計(jì)參數(shù)的變化趨勢和相對最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。綜合考慮筋條總體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度約束及其之間相互影響，并在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)離散變量轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的連續(xù)設(shè)計(jì)變量，使得結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)大為簡化，最后

7、和試驗(yàn)及有限元分析所得結(jié)果進(jìn)行比較，吻合得較好。本研究結(jié)果為復(fù)合材料加筋板設(shè)計(jì)提供了直接參考，具有較好的實(shí)際工程應(yīng)用和參考價(jià)值。
　　（4）面向工程應(yīng)用，在CATIA和PATRAN/NATRAN軟件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過二次開發(fā)，編制了能夠快速完成CAD建模、CAE建模和分析、校核以及優(yōu)化的通用CAE分析和優(yōu)化軟件。軟件所有的建模操作和圖形展示均在基于CAD建模軟件CATIA中完成；并根據(jù)用戶創(chuàng)建的CAD模型通過后臺(tái)接口程序自動(dòng)調(diào)用有限元