GLARE层合板疲劳裂纹扩展测试及预报模型
发布时间：2022-01-17 00:44
玻璃纤维增强铝合金层合板（GLARE）具有良好的抗冲击和抗疲劳裂纹扩展特性,在飞机结构中得到大量的应用。飞机结构在飞行过程中其初始损伤位置通常会萌生裂纹,进而出现疲劳裂纹扩展现象,因此开展含初始裂纹的疲劳裂纹扩展研究对飞机结构损伤容限设计具有重要意义。目前已经有大量学者对GLARE层合板的疲劳裂纹扩展机制开展了研究,并通过多种方法建立了疲劳裂纹扩展预报模型。但现有的疲劳裂纹扩展预报模型对当疲劳裂纹稳定扩展较长时预报结果误差较大,同时也未考虑环境温度的影响。因此,本文从不同类型GLARE层合板疲劳裂纹扩展实验测试结果出发,通过对不同温度条件下GLARE层合板的长裂纹稳定扩展过程进行分析,研究GLARE层合板疲劳裂纹扩展应力强度因子的修正系数问题,改进了Alderliesten疲劳裂纹扩展预报模型,为GLARE层合板结构设计及工程应用提供了理论支撑。针对三种铺层方式结构的GLARE层合板以及铝合金板开展了疲劳裂纹扩展实验测试,考虑了应力水平、应力比以及温度对疲劳裂纹扩展速率的影响,分析温度对层合板疲劳裂纹扩展速率的贡献,比较三种铺层方式结构的GLARE层合板的疲劳裂纹扩展增速。研究结果表明...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
典型的纤维增强金属层合板结构及其桥连机制示意图[17]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-航认证机构RLD的认证，是ARALL发展的一个重要里程牌。此外，美国空军将ARALL材料用在C-130襟翼下蒙皮上，见图1-2(b)。在经过2000以上飞行小时后未发现任何疲劳裂纹产生，而传统的铝合金蒙皮材料，在经历200飞行小时后就产生了疲劳裂纹[28]。图1-2ARALL层合板的应用：(a)C-17后货舱门；(b)C-130襟翼下蒙皮[27,28]Fig.1-2ApplicationofARALLlaminates.(a)RrearcargodoorofC-17;(b)LowerflapskinofC-130.[27,28]ARALL层合板比传统的纤维增强复合材料和铝合金层合板在力学性能上有了较大的提高，但依然存在着一些关键问题，如：1）芳纶纤维和粘接剂间较低的界面强度，当纤维体积分数大于50%时，玻璃强度和层间剪切性能很难满足需求；2）在某些疲劳载荷作用下（如R=0），裂纹桥连纤维层的纤维会发生失效，影响裂纹桥连效率；尽管采用预拉伸的方法可以解决纤维失效的问题，但经过预拉伸后的层合板压缩屈服强度会比较低，且该方法无法针对大尺寸面板进行操作；3)由于芳纶纤维的热膨胀系数与铝合金相差很大，所以ARALL在固化成型后会产生较高的热残余应力，影响层合板的性能；4)ARALL中由于单向纤维而产生的各向异性性能限制了机身蒙皮结构中两向应力情况的应用；5)与单一的铝合金材料相比，ARALL的钝缺口强度较弱；6)与单一铝合金材料相比，制造成本较高。空客研究比较表明：A320机身如果采用ARALL制造，可以减重8%，但成本要增加10倍。1.2.1.2GLARE的发展及应用1990年，代尔夫特理工大学的研究者在研究ARALL纤维金属层合板性能过程中，为了进一步提高层合板力学性能，提出用玻璃纤维代替芳纶纤维，制备出了一种新的纤维金属层合板——GLARE。与芳纶纤维相比，玻璃纤维与环氧的结合性能更好，因此GLARE层
第1章绪论-5-尼性能好等性能，还对ARALL层合板的力学性能进行了改善，使其具有更高的拉压强度、更高的极限应变和剩余强度、断裂韧性[29]以及更好的抗冲击能力[30]和抗疲劳性能[31-34]，因而使其迅速成为航空工业中重要的材料之一。鉴于其优异的性能，1991年负责制备芳纶纤维的AKZO公司和负责制备铝合金板的ALCOA公司合作成立了StructuralLaminatesCompany(SLC)公司，开始商业化生产GLARE层合板。图1-3A330/A340的GLARE机身桶段疲劳试验[3]Fig.1-3FatiguetestofbarefuselagebarrelsectionofA330/A340aircraft.[3]1990年，GLARE首次商用于波音777客机货仓地板上。此外，空客公司应用GLARE层合板制造了空客A330/A340的机身筒段（图1-3）上壁板，并对其进行了飞行疲劳试验，发现在GLARE层合板内没有损伤出现，同时分析表明当A340的机身上面板采用GLARE时可以减重约14%-17%。2004年，空客公司将GLARE材料应用在超大型双层客机A380的机身上壁板（图1-4）、水平尾翼前缘、垂直前缘、扰流板以及整流罩等上，减轻了飞机的重量（飞机重量减轻800kg），提高了飞机的安全性和使用寿命。尽管GLARE材料与ARALL相比性能得到了极大的改善，但GLARE材料也存在着一些缺陷，如：1)GLARE的制造成本极高，GLARE每平方米的制造成本相比铝合金约高出10倍；2)与2000系列和7000系列铝合金及ARALL相比，GLARE的刚度明显较低，特别是当玻璃纤维交叉铺设时，极大地限制了GLARE在更大范围上的应用。传统的GLARE是由S2-玻璃纤维、120℃的固化环氧树脂及2024-T3铝合金制成，但是环氧树脂和铝合金都不能满足在高温条件下使用。因此为了满足高温条件下GLARE的使用，研究者用177℃的固化环氧树脂和2024-T81来代
【参考文献】：
期刊论文
[1]先进复合材料在航空航天领域的研发与应用[J]. 沈军,谢怀勤. 材料科学与工艺. 2008(05)
[2]先进复合材料与航空航天[J]. 杜善义. 复合材料学报. 2007(01)
[3]整体加筋壁板的破损安全特性与断裂控制分析[J]. 李亚智,张向. 航空学报. 2006(05)
博士论文
[1]玻璃纤维增强铝合金层合板疲劳裂纹扩展的研究[D]. 白士刚.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3593716
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
典型的纤维增强金属层合板结构及其桥连机制示意图[17]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-航认证机构RLD的认证，是ARALL发展的一个重要里程牌。此外，美国空军将ARALL材料用在C-130襟翼下蒙皮上，见图1-2(b)。在经过2000以上飞行小时后未发现任何疲劳裂纹产生，而传统的铝合金蒙皮材料，在经历200飞行小时后就产生了疲劳裂纹[28]。图1-2ARALL层合板的应用：(a)C-17后货舱门；(b)C-130襟翼下蒙皮[27,28]Fig.1-2ApplicationofARALLlaminates.(a)RrearcargodoorofC-17;(b)LowerflapskinofC-130.[27,28]ARALL层合板比传统的纤维增强复合材料和铝合金层合板在力学性能上有了较大的提高，但依然存在着一些关键问题，如：1）芳纶纤维和粘接剂间较低的界面强度，当纤维体积分数大于50%时，玻璃强度和层间剪切性能很难满足需求；2）在某些疲劳载荷作用下（如R=0），裂纹桥连纤维层的纤维会发生失效，影响裂纹桥连效率；尽管采用预拉伸的方法可以解决纤维失效的问题，但经过预拉伸后的层合板压缩屈服强度会比较低，且该方法无法针对大尺寸面板进行操作；3)由于芳纶纤维的热膨胀系数与铝合金相差很大，所以ARALL在固化成型后会产生较高的热残余应力，影响层合板的性能；4)ARALL中由于单向纤维而产生的各向异性性能限制了机身蒙皮结构中两向应力情况的应用；5)与单一的铝合金材料相比，ARALL的钝缺口强度较弱；6)与单一铝合金材料相比，制造成本较高。空客研究比较表明：A320机身如果采用ARALL制造，可以减重8%，但成本要增加10倍。1.2.1.2GLARE的发展及应用1990年，代尔夫特理工大学的研究者在研究ARALL纤维金属层合板性能过程中，为了进一步提高层合板力学性能，提出用玻璃纤维代替芳纶纤维，制备出了一种新的纤维金属层合板——GLARE。与芳纶纤维相比，玻璃纤维与环氧的结合性能更好，因此GLARE层
第1章绪论-5-尼性能好等性能，还对ARALL层合板的力学性能进行了改善，使其具有更高的拉压强度、更高的极限应变和剩余强度、断裂韧性[29]以及更好的抗冲击能力[30]和抗疲劳性能[31-34]，因而使其迅速成为航空工业中重要的材料之一。鉴于其优异的性能，1991年负责制备芳纶纤维的AKZO公司和负责制备铝合金板的ALCOA公司合作成立了StructuralLaminatesCompany(SLC)公司，开始商业化生产GLARE层合板。图1-3A330/A340的GLARE机身桶段疲劳试验[3]Fig.1-3FatiguetestofbarefuselagebarrelsectionofA330/A340aircraft.[3]1990年，GLARE首次商用于波音777客机货仓地板上。此外，空客公司应用GLARE层合板制造了空客A330/A340的机身筒段（图1-3）上壁板，并对其进行了飞行疲劳试验，发现在GLARE层合板内没有损伤出现，同时分析表明当A340的机身上面板采用GLARE时可以减重约14%-17%。2004年，空客公司将GLARE材料应用在超大型双层客机A380的机身上壁板（图1-4）、水平尾翼前缘、垂直前缘、扰流板以及整流罩等上，减轻了飞机的重量（飞机重量减轻800kg），提高了飞机的安全性和使用寿命。尽管GLARE材料与ARALL相比性能得到了极大的改善，但GLARE材料也存在着一些缺陷，如：1)GLARE的制造成本极高，GLARE每平方米的制造成本相比铝合金约高出10倍；2)与2000系列和7000系列铝合金及ARALL相比，GLARE的刚度明显较低，特别是当玻璃纤维交叉铺设时，极大地限制了GLARE在更大范围上的应用。传统的GLARE是由S2-玻璃纤维、120℃的固化环氧树脂及2024-T3铝合金制成，但是环氧树脂和铝合金都不能满足在高温条件下使用。因此为了满足高温条件下GLARE的使用，研究者用177℃的固化环氧树脂和2024-T81来代
【参考文献】：
期刊论文
[1]先进复合材料在航空航天领域的研发与应用[J]. 沈军,谢怀勤. 材料科学与工艺. 2008(05)
[2]先进复合材料与航空航天[J]. 杜善义. 复合材料学报. 2007(01)
[3]整体加筋壁板的破损安全特性与断裂控制分析[J]. 李亚智,张向. 航空学报. 2006(05)
博士论文
[1]玻璃纤维增强铝合金层合板疲劳裂纹扩展的研究[D]. 白士刚.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3593716
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