复合材料机翼中胶接结构的有限元模拟

发布时间：2017-09-02 02:30

  本文关键词：复合材料机翼中胶接结构的有限元模拟

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【摘要】：对于全复合材料机翼而言,采用金属机械连接不仅会破坏纤维的连续性,而且会增加系统重量,不能充分发挥减重的效果。由于胶接连接存在无钻孔引起的应力集中,对搭接板本身刚、强度无影响;零件数目少,结构轻,连接效率好,可以降低制件的成本;能够获得光滑气动外形等优点。然而胶接连接有如下缺点:受力的分散性大,难以进行等强度设计,受环境影响大,工艺要求严格,胶层厚度对胶层应力有较大影响,并且胶接结构不能够进行多次拆卸。在不考虑工艺的基础上,全复合材料机翼胶层设计有如下两个难点:(1)确定胶层厚度,因为胶层厚度的变化对胶层应力有较大影响;(2)复合材料零部件与胶层的等强度设计,由于复合材料零部件与胶层采用不同的强度准则。在进行有限元分析时候,主要难点是胶层与零部件模型的几何尺寸相差5个量级。针对提出的这些问题,本文首先研究了单搭接方式中复合材料搭接板的力学性能,胶层在三种典型载荷影响下的变形规律,再对胶层和复合材料搭接板的强度准则展开研究。然后通过有限元数值模拟的方法建立单搭接的二维和三维模型进行了研究,得到了胶层界面与胶层中部的应力分布和确定三维效应对胶层的影响规律,研究了搭接长度、胶层厚度和搭接形式对胶层应力的影响,通过拉伸实验和拉脱实验,分别确定胶层的剪切强度和拉脱强度。最后设计了一种长展弦比的全复合材料机翼,并使用CATIA进行铺层设计,通过飞行环境得到了表面载荷,使用Hypermesh进行了前处理,并将CAD模型导入CAE软件处理。针对模型中有限元网格过多的问题,使用子模型法进行处理,大大减少了、网格数量。最后使用方案优选的方法,通过正交试验分析各参数对胶层应力的影响,使得复合材料结构及胶层在满足强度的基础上,重量达到最轻。
【关键词】：全复合材料机翼 单搭接 胶接 子模型法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V214.7;V224
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 胶接结构的研究概况11-15
• 1.3 胶接理论的研究概况15-19
• 1.3.1 解析方法的研究概况16-18
• 1.3.2 有限元方法的研究概况18-19
• 1.4 复合材料及胶接在航空中的应用19-22
• 1.4.1 复合材料在无人机中的应用19-21
• 1.4.2 胶接结构在大型客机中的应用21-22
• 1.5 本文的主要研究内容22-23
• 第2章 复合材料胶接理论23-37
• 2.1 引言23
• 2.2 复合材料的力学性能计算23-25
• 2.2.1 单层复合材料的应力- 应变关系23-24
• 2.2.2 层合板的应力应变关系24-25
• 2.3 单搭接胶接解析方法25-32
• 2.3.1 剪力对胶层变形的影响25-27
• 2.3.2 弯矩对胶层变形的影响27-29
• 2.3.3 搭接板变形对胶层变形的影响29-30
• 2.3.4 三种假设结果对比30-31
• 2.3.5 复合材料胶接解析方法31-32
• 2.4 复合材料单搭接强度计算方法32-35
• 2.4.1 单搭接强度计算32-35
• 2.4.2 复合材料强度理论35
• 2.5 本章小结35-37
• 第3章 复合材料单搭接胶层有限元模拟37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 复合材料单搭接建模及应力分析37-41
• 3.2.1 二维单搭接模型37
• 3.2.2 二维单搭接应力分析37-39
• 3.2.3 三维单搭接模型39-41
• 3.2.4 三维界面中的应力分析41
• 3.3 复合材料单搭接结果分析41-44
• 3.3.1 搭接长度对单搭接应力影响42-43
• 3.3.2 胶层厚度对单搭接应力影响43
• 3.3.3 搭接形式对单搭接应力的影响43-44
• 3.4 复合材料胶接单搭接强度试验44-46
• 3.4.1 复合材料表面处理44-45
• 3.4.2 单搭接强度试验45-46
• 3.5 胶层拉脱模拟46-48
• 3.5.1 模型几何特征46-47
• 3.5.2 结果分析47-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章 全复合材料机翼中胶层强度分析49-69
• 4.1 引言49
• 4.2 全复合材料机翼模型49-54
• 4.2.1 结构设计49-53
• 4.2.2 模型细节分析53-54
• 4.3 全复合材料机翼的有限元模型54-64
• 4.3.1 全复合材料机翼粗网格56-59
• 4.3.2 位移与载荷边界条件59-61
• 4.3.3 划分细致网格61-63
• 4.3.4 子模型的提取及整体网格细化63-64
• 4.4 细化模型与粗模型的胶层应力分布对比64-68
• 4.4.1 整体模型结果分析64-66
• 4.4.2 子模型结果分析66-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 全复合材料机翼胶层优选69-83
• 5.1 引言69
• 5.2 优化方案69-72
• 5.3 各零部件优化结果72-81
• 5.3.1 翼肋 172-74
• 5.3.2 翼肋 274-76
• 5.3.3 翼肋 376-78
• 5.3.4 翼肋 478-80
• 5.3.5 翼梁与蒙皮80-81
• 5.4 整体优化结果81-82
• 5.4.1 优化方案81
• 5.4.2 优化结果81-82
• 5.5 本章小结82-83
• 结论83-84
• 参考文献84-90
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果90-92
• 致谢92

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 王雪明;谢富原;;含脱胶缺陷复合材料L形接头拉脱强度实验研究[J];复合材料学报;2012年02期

2 刘遂;关志东;郭霞;刘佳;邱太文;孙凯;陈萍;;复合材料双搭接接头拉伸强度研究[J];航空材料学报;2012年05期

3 尹剑;;复合材料π型结构力学性能研究[J];科技创新导报;2014年20期

4 张建宇;SHAN Meijuan;赵丽滨;FEI Binjun;;An Average Failure Index Method for the Tensile Strength Prediction of Composite Adhesive-bonded π Joints[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition);2015年02期

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本文编号：775872