界面缺陷和桁条倒角对CFRP加筋板极限承载能力影响的研究

发布时间：2020-09-30 20:34

　　碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)加筋壁板是现代飞机结构中重要的连接结构件之一。通常复合材料加筋壁板由蒙皮与桁条构成,采用二次胶接、共胶接或共固化工艺制造,但其在加工制造过程中,由于存在诸多不确定因素,会使得加筋壁板结构在界面产生初始缺陷,且在服役过程中,由于面外载荷的作用,会导致界面分层损伤的进一步扩展,引起结构发生大面积脱粘,对结构完整性构成严重威胁,从而导致结构件使用寿命和极限承载能力降低。本文以碳纤维复合材料加筋壁板界面缺陷和桁条倒角为研究对象,采用实验和数值模拟研究方法,开展了界面缺陷尺寸、位置和桁条倒角对加筋壁板结构极限承载能力的研究,为复合材料加筋壁板在工程应用中的损伤容限判定提供理论指导。首先,本文综述了复合材料层压板结构破坏的损伤失效分析方法,介绍了层内损伤和层间损伤失效分析理论,并分析了各模型的优缺点,为复合材料加筋壁板结构实验损伤现象分析和有限元预测结构极限承载能力提供了理论支撑。其次,为分析界面缺陷对结构极限承载能力的影响,并为后续有限元模拟计算提供模型数据和验证基础。本文采用实验的方法研究了界面含缺陷加筋壁板在三点弯曲载荷作用下的极限承载能力。结果表明:界面缺陷降低了结构的承载能力;结构承载能力对界面中部含缺陷较为敏感;界面缺陷导致结构起始损伤位置发生改变。再次,为研究界面不同缺陷尺寸和位置对加筋壁板结构极限承载能力的影响。本文采用数值分析的方法,开展了不同界面缺陷尺寸和位置对结构承载能力影响的研究,分析了结构的损伤模式和失效机理。结果表明:本文模型的有效性得到验证;结构的承载能力随界面缺陷尺寸的增大而降低;结构承载能力对界面中部含缺陷较为敏感;界面分层是导致加筋壁板结构破坏的原因;界面分层主要为剥离失效。最后,为研究桁条倒角和界面缺陷对结构极限承载能力的影响。本文对桁条倒角为直角时的加筋壁板进行三点弯曲实验,采用有限元方法进行验证,在此基础上建立了倒角为27°、45°和90°的有限元模型和不同倒角下界面含缺陷加筋壁板有限元模型,研究桁条倒角对结构极限承载能力的影响。结果充分表明:建立的有限元模型计算结果与实验结果吻合,验证了模型的有效性;桁条倒角为45°时,结构极限承载能力最佳;界面缺陷降低了结构极限承载能力。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V215.52
【部分图文】：

加筋板结构,形式,壁板

图 1-1 空客 A350XWB 复合材料机翼[3]筋壁板由蒙皮和加强筋(如桁条、肋板、纵骨等)构成，蒙皮胶接、共胶接或共固化工艺连接而成[4]。层压加筋壁板类型用部件可分为尾翼和机翼壁板等；按形状特征，可分为单曲；按结构形式，可分为单向加筋板、栅格壁板、多腹板等；状，可分为“T”形、“I”形、“J”形和帽形，如图 1-2 所材料加筋板具有连接件数量少、易于整体成型、设计安装灵结构刚度好等优点，不仅能够承受机身中的剪切载荷和拉压极大降低飞机的自身重量，达到轻量化的目的。

几何形状,桁条,蒙皮,壁板

惯性矩较大扭转刚度大结构复杂不易成型适用于中水平的受压稳定性较高，可承受重载闭合剖面开敞性差内部缺陷不易检测用于飞机壁板形状的加筋壁板，其应用不尽相同。如表 1-1 所示为 T 筋板结构的应用比较。从表 1-1 中可以看出，不同结构形点，选择加筋壁板结构形式，应从设计、强度、应用部合评价。可知，所有构型的加筋壁板在其连接部位都存在共同的突面相连接的桁条末端部位(见图 1-3)。突变区域往往由于在该突变部位形成应力集中现象，且由于几何形状不连加筋壁板在制造成型过程中成为制造缺陷的频发区域，度方向进行扩展，极易导致桁条与蒙皮发生脱粘破坏[6-8

示意图,示意图,失效机理,基体

当复合材料在承受外载荷时，若是纤维与基体间界面强度较弱，便会导致图 2-2 中的失效机理 2 纤维拔出，但纤维拔出通常发生在纤维与基体间出现界面剥离之后(见图2-2中的失效机理5)。若是纤维与基体间界面强度足够大，就会出现失效机理 3，产生纤维桥联现象。树脂基体由于脆性断裂，而出现失效机理 4 基体裂纹。采取有限元分析方法分析复合材料结构失效模式时，并不直接采用上述失效机理进行模拟，通常是将失效模式划分为六种：基体拉伸失效、基体压缩失效、纤维压缩失效、纤维拉伸失效、纤维-基体剪切失效和分层失效。

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