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复合材料层压板修理后动力学特性和稳定性影响研究

作　者: 方尚庆
导　师: 余音
学　校: 上海交通大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 复合材料层压板挖补修理动力学、稳定性有限元分析
分类号: V229.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

复合材料层压板已广泛应用于飞机结构,其在服役的各种环境出现损伤不可避免,出于结构安全性和经济性考虑,对于修理容限内的损伤必须实施修理。挖补修理因具有适用范围广、修理效率高、修理效果好以及对结构气动外形影响小等优点成为复合材料层压板损伤修理的基本方法之一。当前层压板挖补修理的力学研究很多,大多集中于静强度方面,对修理后结构的稳定性和动力学特性关注较少。但挖补修理对结构稳定性和动力学特性的影响也必须得到足够重视,例如,飞机结构存在大量承受压、剪载荷的复合材料薄壁结构,其挖补修理应避免修理后结构过早发生屈曲失稳,对于在工作力学环境下需关心其动力学特性的层压板结构,须避免修理后与周边结构发生耦合振动等问题。因此,我国目前实施的大型民机科技重大专项有关飞机结构损伤修理的研究也提出了开展复合材料层压板修理后稳定性和动力学特性研究的迫切需求。基于以上工程背景,本文利用有限元方法研究了挖补修理参数对层压板结构的动力学特性和稳定性的影响。首先,从工程实际出发,提出了一种复合材料层压板挖补修理方案的数字化设计方法,对复合材料蒙皮典型分层损伤的修理应用实例表明该方法可实现挖补修理快捷、有效的数字化设计。其次,基于ABAQUS有限元分析软件建立不同修理构型的三维分析模型,研究了挖补角度?、挖除孔径D、表面覆盖层对四种典型载荷下修理结构稳定性的影响。研究表明,受单轴压缩载荷时,结构稳定性对D的改变不敏感,对?则较敏感;双轴压缩载荷下,减小D和增大?均能增强修理结构抗双轴压缩失稳能力,且增大对提高结构稳定性更有效;四边受剪时,一定、增大D可提高结构稳定性,而当D一定时,存在一个值使结构抗剪失稳能力最弱(本文为5°),对于主要承剪的板壳结构在进行挖补修理时应避免选择此角度。表面覆盖层对修理结构的屈曲极限载荷和屈曲模态均有重要影响,可显著强化结构抗剪失稳能力;压-剪复合载荷下,D一定时,也存在一个小的使修理结构稳定性最弱。而一定时,增加挖除孔径在特定工况下可能减弱结构稳定性;表面覆盖层在四种载荷下均能显著提高修理结构稳定性,与具体工况无关。进一步研究了这三个修理参数和胶层材料性能对修理结构固有频率和稳态简谐响应特性的影响。研究结果显示,挖补修理对结构基频和谐响应特性有显著改变,修理后结构基频显著提高,谐响应共振频率均在一阶固有频率附近,共振幅值均明显降低,且降低幅度随的增大而增大;一定时,增大D和表面覆盖铺层的出现将降低结构固频,而在10°范围内,增加将显著提高系统固频;表面覆盖层和胶层材料参数对固频影响均可忽略,但前者对谐响应共振幅值的影响取决于其对结构刚度和质量影响两种因素谁占主导。对于一定的修理构型, D较小时(50.8mm)质量因素占主导,表面覆盖层的出现使共振幅值增大,其它情况下刚度因素占主导,均在一定程度上降低了稳态简谐响应共振幅值。

复合材料层压板修理后动力学特性和稳定性影响研究

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