飛機復合材料加筋結構失效機理與優(yōu)化設計.pdf

1、復合材料薄壁加筋結構能充分發(fā)揮層合板結構可設計性好的優(yōu)點，并易于實現高效減重，目前已成為航空航天結構中廣泛應用的輕質復合材料結構形式。該類結構的合理應用涉及加筋形式與截面設計、工藝制備、選型分析、結構優(yōu)化和承載能力驗證等多個環(huán)節(jié)，其中，在各個環(huán)節(jié)都涉及到一些關鍵力學問題。解決好這些基本問題可以極大提高此類結構的承載效率，大幅提高減重效果。
　　本文首先以復合材料帽型加筋壁板結構為例，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、，探討了其中的關鍵工藝力學問題；對不同截面形式的單向加筋壁板結構在軸壓載荷下的破壞過程進行了試驗驗證和有限元數值仿真模擬，獲得了不同截面形式單向加筋壁板的失效行為特征，分析了其失效機理；進而選取帽型和工字型兩種典型加筋壁板結構，開展了優(yōu)化設計研究，并針對工字型復合材料加筋壁板進行了單軸載荷多約束條件下的結構效率分析，得到了一些有益的結論；在單向加筋壁板力學性能研究的基礎上，開展了格柵加筋結構的力學性能分析和總體屈曲性態(tài)研究，并開發(fā)了應用

3、分析軟件。具體工作包含以下四個方面：
　?。?）采用硅橡膠熱膨脹工藝制備了碳纖維復合材料加筋壁板，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合材料制件內部樹脂壓力的變化規(guī)律，考察了硅膠芯模截面設計對加筋壁板成型壓力的影響。結果表明：采用在線樹脂壓力測試系統(tǒng)，可實現復合材料制件內部樹脂壓力的測試；工藝間隙和硅橡膠內的溫度分布對樹脂壓力及硅橡膠的熱脹壓力有重要影響。面向制備碳纖維復合材料帽

4、型長桁壁板采用硅橡膠熱膨脹工藝，實現產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行了數值仿真分析，分析結果對實現最佳維型效果的硅膠軟模細節(jié)設計具有參考價值，對減少利用試驗進行不斷試錯的過程、提高生產效率具有重要意義。
　?。?）采用試驗與數值計算相結合的方法，研究了工型和帽型等復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，基于光學原理進行了數據分析和圖像還原；建立了基于有限元分析平臺的數值模擬方法，預測了帽型加強筋壁板復合材料結構的屈曲與后屈曲行為，用定量的試驗數據來對比數值預測的壁板屈曲形狀，對比試驗和數值分析的位移的差異性，得到了此類結構在靜壓縮載荷作用下的破壞機理。
　　（3）針對工型和帽型加筋壁板的幾何參數對結構破壞模式和承載能力的影響開展了系統(tǒng)研究，并開展了復合材料格柵加

6、筋結構的力學分析方法研究；通過建立復合材料單向加筋壁板單元的基本力學假設和計算分析模型，提出了一種多約束條件下進行結構效率快速分析的方法，并利用該方法對典型的復合材料單向加筋壁板結構進行了結構效率分析，得到了其結構效率隨各設計參數的變化趨勢和相對最優(yōu)結構參數。綜合考慮筋條總體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性、結構靜強度約束及其之間相互影響，并在基本假設的基礎上將復合材料結構離散變量轉化為獨立的連續(xù)設計變量，使得結構力學性能分析和優(yōu)化設計大為簡化，最后

7、和試驗及有限元分析所得結果進行比較，吻合得較好。本研究結果為復合材料加筋板設計提供了直接參考，具有較好的實際工程應用和參考價值。
　?。?）面向工程應用，在CATIA和PATRAN/NATRAN軟件的基礎上，經過二次開發(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；并根據用戶創(chuàng)建的CAD模型通過后臺接口程序自動調用有限元