复合材料层压板铺层设计的方法及试验验证结果.docx

1、复合材料层压板铺层设计的方法及试验验证结果复合材料层压板铺层设计的方法及试验验证结果复合材料层压板铺层设计的方法及试验验证结果引言结构设计是指根据结构设计的原始条件,按照结构设计的基本要求,提出合理的设计方案以及进行具体的细节考虑,绘制出结构图纸,在需要时还须写出相应的技术文件,以使生产单位能根据这些数模/ 图纸和技术文件进行生产。结构所受到的载荷、设计方法是结构布局与结构元件尺寸设计的基本依据,飞机结构必须保证足够的强度、刚度、疲劳寿命和损伤容限设计要求。在进行民用飞机复合材料层压板结构铺层设计时,主要按复合材料地板稳定性分析方法开展。飞机结构中没有绝对的纯剪板,也没有单向的承拉/ 压板,对

2、于复合受载的结构,设计师在对结构功能和传载路经进行分析后,根据工程经验忽略小载荷,结合成熟经典的设计理论和方法,布置结构并设计出具体的截面形式。下面将阐述复合材料层压板铺层设计的方法及试验验证结果:1 层压板屈曲分析(2)双向受压在Nx 、Ny 作用下,Ny / Nx 比值保持不变时,可用下式计算屈曲载荷,受载情况如图2 所示。式中:Ny 为沿y 方向单位长度上的压力。对于已知的比值Ny / Nx ,取m=1,2,3,及n=1,2,3,由上式可计算一系列的Nx ,其中最小的Nx 即为屈曲载荷Nxcr。(3)纯剪正交各向异性矩形层压平板的剪切屈曲分析,图3 中四边简支和四边固支情况下,剪切屈曲载

3、荷计算公式均为:(4)压剪复合图5 为单压+剪切复合受载情况,压剪复合屈曲载荷一般按下式计算:Rx +Rxy =1 (5)式中,Rx =Nx / N0xcr,Rxy =Nxy / N0xycr,N0xcr、N0xycr 分别为单轴压和纯剪切情况的屈曲载荷。当作用载荷Nx 、Nxy给定后,现求出Rx 、Rxy ,可得图6 中M 点,连接OM,得与相关曲线的交点N,则屈曲安全裕度为:MS = ON/OM-1 (6)也可用通过公式获得安全裕度,计算如下:2 试验验证上述的计算分析设计方法将通过梁腹板参数选型试验加以验证。运用该方法设计试验件,通过分析试验结果获得结构参数和铺层设计经验。试验件如图8

4、所示,图9 为试验件加载示意图,试验件夹持如图10 所示。按照前述屈曲分析方法,对四边简支梁腹板的稳定性进行工程分析,研究铺层顺序的影响,可得以下结论:为提高屈曲载荷,应将依45毅层放于蒙皮最外层,此时均比0和90置于最外层效果好;0和90层相比,90层置于外层效果更好,0层更适合于置于中面附近。3 结论通过改变蒙皮铺层顺序和铺层比例的方法,研究铺层对加筋板初始屈曲能力的影响。经典理论计算分析与试验结果都能得到以下结论:(1)蒙皮铺层顺序不同,加筋板的屈曲模态形状会受到影响。(2)为提高屈曲载荷,应将45层放于蒙皮最外层。(3)0和90层相比,0层置于外层效果更好,90层更适合于置于中面附近,但实际上载荷提高并不是很大。(4)提高45铺层比例,初始屈曲载荷会有很大的提高。(5)0和90层相比,提高90比例有利于提高初始屈曲载荷。(6)需控制蒙皮与长桁(腹板和支柱)等效刚度、柏松比的差异,避免出现层间破坏失效模式。(7)板的几何尺寸、边界条件和载荷类型等因素对铺层顺序和稳定性之间的关系有影响。总之,对于层压板的稳定性而言,不存在确定最佳铺层顺序的通用法则,只能针对特定的结构和载荷情况建立铺层顺序与稳定性之间的关系。