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复合材料螺接修理结构参数化建模分析工具开发及验证

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复合材料学报 2018年第12期35卷 3377-3385页

作者：李想谢宗蕻西北工业大学航天学院西安710072

螺接修理在复合材料结构的临时性修理,尤其是战伤修理中应用较广泛。然而其修理设计过程较复杂,建模分析难度较大,难以满足工程快速定参的需要。本文针对含穿透损伤复合材料层合板的螺接修理问题,采用***结合p型有限元技术,开发了一套... 详细信息

螺接修理在复合材料结构的临时性修理,尤其是战伤修理中应用较广泛。然而其修理设计过程较复杂,建模分析难度较大,难以满足工程快速定参的需要。本文针对含穿透损伤复合材料层合板的螺接修理问题,采用***结合p型有限元技术,开发了一套参数化的建模分析工具。分析工具通过界面读取修理结构的几何参数、螺栓布局、螺栓大小、载荷、材料属性等参数,自动创建有限元模型并进行求解。根据求解结果,分析工具可为用户提供修理结构的螺栓载荷、钉载比例、危险孔孔边应力等。另外,通过引入有限断裂力学,结合两级模型分析技术可预测得到修理结构的失效强度和失效位置。最后,采用典型算例对分析工具的有效性进行了验证。

关键词：螺接修理载荷传递钉载分配有限断裂力学失效强度

复合材料多钉连接钉载分配均匀化的泰勒展开方法

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哈尔滨工业大学学报 2019年第11期51卷 108-115页

作者：李想谢宗蕻中国工程物理研究院电子工程研究所四川绵阳621000 西北工业大学航天学院西安710072

大多数复合材料机械连接都是多钉连接,但由于复合材料的脆性等因素,钉载分配往往极不均匀,极易引起接头的过早破坏.为改善钉载分配的不均匀性,工程中通常采用在承载较大的钉孔处设计间隙配合的方法,然而间隙量的大小一般难以确定.本文... 详细信息

大多数复合材料机械连接都是多钉连接,但由于复合材料的脆性等因素,钉载分配往往极不均匀,极易引起接头的过早破坏.为改善钉载分配的不均匀性,工程中通常采用在承载较大的钉孔处设计间隙配合的方法,然而间隙量的大小一般难以确定.本文基于一阶泰勒展开方法提出一种确定该间隙的近似算法.首先将钉载关于钉孔间隙进行一阶泰勒展开,进而建立钉载和钉孔间隙之间的线性方程组.然后在指定外载荷条件下,以钉载均匀分配时的螺栓载荷为已知量,以钉孔间隙为未知量,计算各钉近似均匀分配时的钉孔间隙.以5钉连接接头为例,对模型有效性进行验证.结果表明,优化后,首钉钉载比例由45.1%降低到23.0%,首钉位置净截面的拉伸应力和压缩应力也有明显降低,较优化前分别下降26%和39%.最后基于验证的优化模型研究了宽度、排距、螺栓数目以及外载荷等参数的影响.模型分析效率高,对于n钉连接的多钉连接问题,只需n+1个有限元模型即可计算得到钉载近似均匀分配时的钉孔间隙.模型对复合材料多钉连接的均匀化设计具有重要的指导意义.

关键词：复合材料多钉连接钉载分配均匀化间隙配合

TC4/30CrMnSiNi2A钎焊接头组织与力学性能分析

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稀有金属材料与工程 2019年第9期48卷 3035-3040页

作者：岳喜山谢宗蕻徐文豪西北工业大学陕西西安710072 中国航空制造技术研究院航空焊接与连接技术航空科技重点实验室北京100024

采用Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni和Ag-Cu28两种钎料分别对TC4钛合金/30CrMnSiNi2超高强钢异种材料进行了钎焊,对钎焊界面组织以及接头的力学性能进行了分析。结果表明:Ag基钎料钎焊TC4与30CrMnSiNi2A异种材料时,钎缝界面组织为Ag(s,s)+Ti-Cu系... 详细信息

采用Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni和Ag-Cu28两种钎料分别对TC4钛合金/30CrMnSiNi2超高强钢异种材料进行了钎焊,对钎焊界面组织以及接头的力学性能进行了分析。结果表明:Ag基钎料钎焊TC4与30CrMnSiNi2A异种材料时,钎缝界面组织为Ag(s,s)+Ti-Cu系化合物组成;因Ag固溶体的存在,钎缝具有一定的韧性,接头剪切强度较高,剪切断口呈现出韧性断裂特征。Ti基钎料钎焊TC4与30CrMnSiNi2A异种材料时,钎缝界面组织为Ti-Zr固溶体+未完全反应凝固钎料,钎缝显微硬度较高,接头剪切强度较低,呈现出脆性断裂特征。Ag基钎料TC4/30CrMnSiNi2A异种材料钎焊接头力学性能明显优于Ti基钎料结果,在钎焊温度830℃,保温时间15 min时,抗剪切强度为125.52 MPa。

关键词： TC4钛合金 30CrMnSiNi2超高强钢钎焊组织力学性能

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翼面前缘共形电热除冰功能结构开发与验证

航空学报 2023年第12期44卷 326-336页

作者：唐超谢文俊袁培毓谢宗蕻中山大学航空航天学院深圳518107

针对飞机翼面前缘的防/除冰问题设计开发了一种轻质、高效、低能耗、共形的飞机翼面前缘石墨烯复合材料电热除冰功能结构并开展了除冰性能实验验证。采用将石墨烯加热膜与复合材料层合结构集成的设计方案,使用自研开发的热压成型设备在... 详细信息

针对飞机翼面前缘的防/除冰问题设计开发了一种轻质、高效、低能耗、共形的飞机翼面前缘石墨烯复合材料电热除冰功能结构并开展了除冰性能实验验证。采用将石墨烯加热膜与复合材料层合结构集成的设计方案,使用自研开发的热压成型设备在飞机翼面前缘原位胶接固化了0.75 mm厚的石墨烯复合材料电热除冰共形加热器功能结构;通过实验比较常温和低温环境下相同功率密度时共形加热器的温升情况,验证了共形加热器的加热均匀性和稳定性;采用一种原位共形结冰技术在飞机翼面前缘表面制备了厚度可控的冰层并进行了加热器除冰性能测试,获得了不同功率密度情况下共形加热器的除冰效果,并将其与传统翼面前缘金属丝共形电热除冰结构进行对比分析。结果表明:共形加热器与翼面前缘共形胶接质量良好,面密度为0.0827 g/cm^(2),热响应迅速,加热性能稳定,加热区域温度均匀;随加热器功率密度不断增加,除冰时间缩短,除冰效果变好;功率密度为15 kW/m^(2)时可在40 s内完全融化底部界面冰层;在达到相同除冰效果的前提下,与传统翼面前缘金属丝共形电热除冰结构相比,新型电热除冰结构所需功率密度明显更低。因此开发的飞机翼面前缘石墨烯复合材料共形加热器可真正实现结构功能一体化,在不改变飞机翼面前缘气动外形和重量增加极小的情况下获得优良的电热除冰效果。

关键词：电热除冰原位共形石墨烯复合材料翼面前缘功能结构

复合材料织物层合板挖补修理软件实现与试验验证

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复合材料学报 2017年第7期34卷 1451-1461页

作者：谢宗蕻王绥安李想西北工业大学航天学院西安710072

针对单向拉伸载荷作用下复合材料织物层合板胶接挖补修理结构,改进现有解析模型,建立适用于无附加层、附加1层和附加2层结构的阶梯型挖补修理结构和斜切型挖补修理结构的解析分析模型。给出求解算法,定义准确度用于评价数值计算精度,最... 详细信息

针对单向拉伸载荷作用下复合材料织物层合板胶接挖补修理结构,改进现有解析模型,建立适用于无附加层、附加1层和附加2层结构的阶梯型挖补修理结构和斜切型挖补修理结构的解析分析模型。给出求解算法,定义准确度用于评价数值计算精度,最终实现开发一套界面友好的复合材料胶接挖补修理设计与分析软件。该软件可以求解单向拉伸载荷作用下,复合材料胶接修理结构内部的剪应力场/剪应变场分布,评价搭接板受载情况,并预测结构失效载荷与失效模式。研究中采用T300/CYCOM-970织物作为母板与补片材料,METLBOND1515-4M作为胶层材料,设计进行了一系列阶梯型及斜切型挖补修理验证试验。试件失效载荷与软件计算结果吻合良好,阶梯型最大相差5.7%,斜切型最大相差14.0%。该软件可以对复合材料织物层合板胶接挖补修理进行高效、准确的初步辅助设计与分析。

关键词：复合材料层合板解析模型软件失效载荷试验

单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能影响

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北京航空航天大学学报 2020年第11期46卷 2018-2025页

作者：岳喜山闫群赵伟谢宗蕻西北工业大学航天学院西安710072 中国航空制造技术研究院航空焊接与连接技术航空科技重点实验室北京100024 沈阳飞机设计研究所结构部沈阳110035 中山大学航空航天学院广州510275

钛合金蜂窝夹层结构在制备或使用过程中可能会产生面板裂纹损伤。采用试验和有限元结合的方法研究了单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能的影响。结果显示:单侧面板裂纹损伤会明显降低钛合金蜂窝夹层结构面板弯曲强度,弯曲强... 详细信息

钛合金蜂窝夹层结构在制备或使用过程中可能会产生面板裂纹损伤。采用试验和有限元结合的方法研究了单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能的影响。结果显示:单侧面板裂纹损伤会明显降低钛合金蜂窝夹层结构面板弯曲强度,弯曲强度近似随裂纹长度的增加而线性降低;有限元模型能够准确预测结构的破坏模式和破坏强度,预测得到的面板弯曲强度与试验结果最大偏差仅为6%。采用的有限元方法可用于含面板裂纹损伤的钛合金蜂窝壁板结构弯曲性能的工程预估。

关键词：钛合金蜂窝夹层结构面板裂纹三点弯曲试验弯曲强度有限元

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复合材料层合板斜切型挖补修理试验

哈尔滨工业大学学报 2017年第5期49卷 56-61页

作者：王绥安谢宗蕻李想西北工业大学航天学院西安710072

为研究拉伸载荷作用下不同挖补角和附加层数对复合材料胶接挖补修理接头刚度、强度、失效模式及关键位置应变变化的影响,开展了复合材料层合板斜切型挖补修理接头拉伸试验.采用一种碳纤维织物增强树脂复合材料作为母板与补片材料,一种... 详细信息

为研究拉伸载荷作用下不同挖补角和附加层数对复合材料胶接挖补修理接头刚度、强度、失效模式及关键位置应变变化的影响,开展了复合材料层合板斜切型挖补修理接头拉伸试验.采用一种碳纤维织物增强树脂复合材料作为母板与补片材料,一种改性环氧树脂胶膜作为胶层材料,设计了斜切挖补角分别为1.8°、2.6°、3.5°、4.4°,附加一附加层或二附加层的斜切型挖补修理试验件.拉伸试验结果表明,在1.8°至4.4°挖补角范围内,所研究的接头刚度和强度随挖补角的增大而减小.附加层数的增加能够有效提升接头的刚度及强度.接头的失效可以概括为四种模式,与挖补角及附加层数目相关。接头关键位置点的纵向应变变化能够动态反映接头的失效过程.

关键词：复合材料层合板挖补修理接头失效模式试验分析应变分布

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空间智能天线夹芯结构热变形力学分析

南京航空航天大学学报 2008年第5期40卷 617-621页

作者：谢宗蕻李磊赵剑汪乐西北工业大学航天学院西安710072

空间智能天线夹芯结构是一种集承载、维形和微波通讯于一体的多功能结构。该结构将微带天线阵列植入复合材料夹芯结构蜂窝芯体中,既满足了结构力学和热力学性能要求,又满足了被植入天线的电性能要求,实现了空间结构的多功能化,降低了系... 详细信息

空间智能天线夹芯结构是一种集承载、维形和微波通讯于一体的多功能结构。该结构将微带天线阵列植入复合材料夹芯结构蜂窝芯体中,既满足了结构力学和热力学性能要求,又满足了被植入天线的电性能要求,实现了空间结构的多功能化,降低了系统综合质量。本文针对低地球轨道的空间热环境,选取低热膨胀系数、低密度、高强度、高模量、耐高温及透波性好的复合材料,基于复合材料力学经典理论分析设计了面内热膨胀系数接近于零的复合材料蜂窝夹芯结构面板,并且对空间智能天线夹芯结构在低地球轨道典型空间环境下的结构热力学响应进行了有限元分析。结果表明,该空间多功能智能天线夹芯结构可以满足在轨空间温度环境下结构变形指标要求。

关键词：智能结构复合材料夹芯结构热膨胀系数微带天线阵列

基于弹簧质量模型的复合材料螺接修理载荷传递计算方法

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航空学报 2016年第12期37卷 3742-3751页

作者：谢宗蕻李想杨淋雅吴师西北工业大学航天学院西安710072 中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院西安710089

复合材料螺接修理具有操作简便,对连接件表面处理的要求不高,施工快速、性能可靠等优点,在复合材料的临时修理、尤其是战伤修理中应用较为广泛。然而其修理设计过程较为复杂,难以满足工程快速定参的需要。在螺接接头弹簧质量模型的基础... 详细信息

复合材料螺接修理具有操作简便,对连接件表面处理的要求不高,施工快速、性能可靠等优点,在复合材料的临时修理、尤其是战伤修理中应用较为广泛。然而其修理设计过程较为复杂,难以满足工程快速定参的需要。在螺接接头弹簧质量模型的基础上,针对蒙皮和补片等宽的情况,提出了一种复合材料螺接修理结构载荷传递比例计算方法。通过引入载荷按刚度分配的原则对模型进行修正,将模型进一步推广到蒙皮宽度大于补片宽度的情况。然后讨论了模型中不同弹簧刚度的计算方法。给出了采用细观力学方法以及均匀化方法等计算含损伤蒙皮等效刚度的计算方法,推导得到了规则排列多列螺栓连接中各排螺栓等效刚度的计算方法,并证明该刚度满足叠加原理。最后,以含圆形损伤孔的复合材料蒙皮板的螺接修理问题为例,对模型进行了考核,并与有限元法(FEM)预测结果进行了对比。结果表明:模型预测结果与有限元结果吻合较好,预测误差最大为7.7%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料螺接修理的分析设计。

关键词：复合材料螺接修理载荷传递钉载分配弹簧质量模型