飞行器复合材料结构修补分析模型与试验研究

admin · 发表于 2024-3-11 10:21:22

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复合材料层间强度低、抗冲击性能差的固有缺点导致在制造和使用过程中不可避免的会存在缺陷或损伤，危及飞行安全。所以，复合材料的损伤以及受损结构的修补题目得到了国内外专家及研究者的广泛关注。然而目前在这方面的研究中，绝大部分是针对结构受单向拉伸或压缩载荷条件下进行的，对于含孔结构修补后的弯曲性能研究目前还鲜有报道。对于修补参数对修补效果的影响的分析都还停留在比较粗略的水平，很难给出较准确的量化标准。本文在前人的研究基础上，对层合板和蜂窝板这两种飞机结构上最常用的结构形式在弯曲条件下的修补结构性能进行了详细的试验研究和数值分析，并通过结构优化设计技术，寻求针对特定损伤的最优修补方案。本文研究工作可归纳如下：1) 开展对含半穿透圆孔损伤的复合材料层合板和蜂窝板单面贴补和挖补修补结构三点弯曲试验研究，通过试验发现了结构在弯曲载荷作用下的各种破坏模式，并针对各种模式的产生机理进行了详细分析；2) 建立了损伤及修补后结构的三维有限元分析模型，通过MSC.Marc二次开发，发展了以hashin_Fabric准则为基础的刚度退化方法来预测结构强度，并引入接触分离机制模拟胶层的粘接效果；分析结果与试验结果吻合较好，证明了刚度退化方法和接触分离机制的正确性；3) 通过对不同参数修补结构的计算分析，对补片厚度、直径、胶层厚度和挖补楔形角等修补参数对修补效果的影响进行了深入分析，找出了这些参数变化对修补效果的影响规律及其与拉伸/压缩载荷作用下的不同之处；4) 发展了基于近似模型的分级多步优化方法对层合板和蜂窝板在弯曲条件下的贴补和挖补题目进行优化设计，针对特定损伤找到了最优修补方案，通过优化结果与有限元分析结果的对比，证明本文的分级多步优化设计方法在大大提高优化效率的同时也提高了优化设计的精度；5) 利用MSC.Patran二次开发功能，开发了复合材料结构修补分析平台，能够完成结构网格划分、边界条件和载荷设定、材料模型和属性定义、分析求解、结果输出和结构优化设计等功能，使用简单方便，为复合材料修补结构的分析研究提供了有力支持。

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