复合材料结构强度分析与试验研究

摘要

先进复合材料以高比强度、高比刚度及良好的可设计性和优异的抗疲劳特性等诸多优异性能，为飞机结构工程设计实践广泛应用，已成为飞机结构的主要材料之一。目前对于飞机复合材料结构的分析方法仍不够成熟，使用经验依然不够充分。复合材料复杂的破坏机理、有限的结构分析技术和使用经验，以及复合材料性能数据分散系数比金属材料大等特点，使得复合材料结构设计还未能达到传统金属材料结构的设计水平。并且复合材料体系和工艺方法还在不断发展变化，要可靠地预测复合材料结构破坏模式、极限强度仍然是十分困难的。 对于航空复合材料结构这样复杂的力学问题，通常只能通过各种假设把问题简化到可以处理的程度，以得到某种近似的解答，或是借助于试验手段来谋求问题的解决。结构试验是建立结构力学分析方法的基础，同时也是结构设计与制造鉴定的手段。目前，在复合材料结构的设计过程中，主要依赖多层次的结构试验验证技术，以保证复合材料结构的完整性要求及适航审定。 本文针对在某型飞机复合材料结构的前期设计时，对复合材料机翼主受力盒段选型、定型对比试验研究过程中所出现的问题，如部分试验件强度过高或未达到设计强度要求等，进行了复合材料结构机翼盒段的力学性能研究。 本文主要研究工作有：1.选取一种盒段为研究对象，运用MSC/PATRAN、MSC/NASTRAN软件进行了有限元结构建模和计算分析； 2.对选定盒段进行了静强度结构验证试验，根据验证试验结果对有限元结构模型加以修正确认； 3.依掘修正后盒段结构有限元模型，进行了深入分析，确认了复合材料机翼主受力盒段的破坏模式和极限强度； 4.提出了结构改进意见，为后续结构设计工作提供了试验依据及分析资料；5.对有限元建模分析及计算机仿真试验技术进行了探讨。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1复合材料的发展及其在飞机结构中的应用

1.1.1复合材料及复合材料力学的发展

1.1.2复合材料的特性

1.1.3复合材料在飞机结构中的应用

1.2有限元法和试验技术在复合材料结构设计中的应用

1.2.1复合材料飞机结构设计的要求与特点

1.2.2有限元分析技术在复合材料飞机结构设计中的应用

1.2.3试验技术在复合材料飞机结构设计中的应用

1.3本文研究的目的、范围、研究方法

第二章复合材料结构力学理论

2.1复合材料力学基础

2.1.1复合材料力学分析的基本假设

2.1.2各向异性材料的应力、应变关系

2.1.3单向层板正轴向的应力-应变关系

2.1.4单层板在任意方向上的应力-应变关系

2.2单层板的强度理论

2.2.1蔡-希尔破坏理论

2.2.2霍夫曼破坏理论

2.2.3蔡-胡张量理论

2.3强度比

2.4层合板的强度与刚度分析

2.4.1层合板的广义应力-应变关系

2.4.2层合板的强度分析

2.4.3刚度降级的处理方法

2.5层合板的破坏模式

2.5.1层合板的面内破坏

2.5.2层合板的层间破坏

2.6提高复合材料层合板强度的措施

2.6.1减小层间应力

2.6.2提高层间强度

2.6.3基体材料的选用

第三章有限元分析技术及有限元分析软件

3.1有限元分析技术简介

3.2复合材料结构的有限元分析技术

3.2.1复合材料结构有限元分析的特点

3.2.2复合材料结构有限元建模技术

3.2.3复合材料结构有限元分析结果

3.3复合材料结构有限元分析软件的选用

第四章复合材料飞机结构试验验证方法

4.1概述

4.2设计研制试验——积木式试验方法

4.2.1积木式设计研制试验方法

4.2.2积木式验证试验方法的内容

4.2.3积木式试验方法的优点

4.3全尺寸部件验证试验

4.3.1部件静强度验证试验

4.3.2结构件/部件的耐久性验证试验

4.3.3结构件/部件损伤容限验证试验

第五章复合材料机翼盒段有限元分析

5.1复合材料机翼盒段结构简介

5.2建立复合材料机翼盒段结构分析模型

5.2.1传力路线分析

5.2.2建立分析模型

5.3复合材料机翼盒段结构计算结果及分析

第六章复合材料机翼盒段静强度试验验证

6.1试验目的

6.2试验件

6.3试验载荷

6.4试验夹具

6.5试验设备

6.6试验控制原理及测量点布置

6.7试验过程

6.7.1纯弯加载30％设计载荷预试

6.7.2第一次纯弯加载使用载荷试验

6.7.3第二次、第三次纯弯加载使用载荷试验

6.7.4纯弯加载设计载荷及破坏载荷试验

6.8试验结果

第七章复合材料机翼盒段有限元分析与验证试验结果研究

7.1有限元分析与试验结果比较

7.1.1试验实测应变数据与有限元计算结果比较

7.1.2试验实测位移数据与有限元计算结果比较

7.1.3有限元分析与试验实测结果分析

7.2有限元模型修正与完善

7.2.1有限元分析误差产生的原因

7.2.2有限元模型修正

7.3对有限元计算结果的讨论

第八章总结与展望

8.1本文的主要结论

8.2后继工作展望

8.3总结

论文期间参加课题情况

致谢

参考文献

西北工业大学学位论文知识产权声明书及西北工业大学论文原创性声明