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1、复合材料机身结构加筋壁板的屈曲与后屈曲模拟1.项目的立项依据减重是成本降低的重要因素。欧航工业为了实现短期降低20%、长期降低 50%成本的目标，制定了 POSICOSS (针对机身碳纤维复合材料结构设计的改进 后屈曲模拟)和COCOMAT (机身复合材料结构安全设计的破坏模拟)计划。 这两个计划通过精确可靠的后屈曲和破坏模拟，开发了碳纤维复合材料机身结构 的安全储备。POSICOSS计划开发了碳纤维复合材料加筋壁板快速后屈曲分析， 获得了大量的实验数据，制定了设计指南。COCOMAT计划在POSICOSS结果 的基础上，进行了破坏模拟，其结果包括扩展的实验数据库，退化模型，改进的 检定，设计
2、工具和指南。POSICOSS计划的执行时间为2000.1-2004.9,计划按如下六步进行： (1)对后屈曲和破坏分析的基本程序进行了收集、评估，比较了各软件细节上的 差别和优缺点。(2)设计了碳纤维复合材料加筋壁板验证结构，通过实验获取材料的性能常数。 (3)第三步是制造和测试验证结构，目的是测试从屈曲到破坏的数据，用于改进 软件工具。制作了 32个验证结构并进行了无损检测。测试要求确定后屈曲的程 度，在压、弯、剪以及混合的加载条件下进行测试，由于材料的实际性能与试样 不同，所以应确定验证结构的材料性能。(4)模拟程序的改进和制定初步的设计指南，开发了新的工具，对现有的金属结 构工具进行了修
3、改。这些工具和有限元程序用于参数研究，从而得到关于碳纤维 复合材料加筋壁板的设计指南。(5)工业生产的碳纤维复合材料板的设计，分析，制作，检测和测试：要充分考 虑纯生产方面，为了最好的应用于实际的机身结构要充分发挥和利用生产合作者 的经验，最后，制作了 19块板，经过检测和测试，辨识出了实际的材料性能。 (6)碳纤维复合材料板的设计指南：为了制定最终的设计指南，要包括现有的经 验，生产实践和项目过程中的经验教训。碳纤维增强复合材料薄板可以承受反复屈曲而不影响屈曲行为，但是后屈曲 多大的程度而不导致严重的结构损伤，以及如何快速准确的模拟预测，可以通过 COCOMAT计划获得。COCOMAT项目的
4、目标是从当前到未来设计一种典型的复合材料加筋壁板 方案，如下图，左图是现在典型的载荷曲线，分为三个区：L允许的飞行载荷, 对应的点有初次屈曲载荷和限制载荷；2.安全区，对应着极限载荷；3.禁止区, 对应有初始退化载荷和完全破坏载荷。极限载荷是最大载荷的L5倍。从图可以 看到，极限载荷和破坏载荷之间有很大的储备区域，所以提出右图的未来设计方 案，极限载荷尽量接近破坏载荷。与目前的设计方案存在不同是初始退化载荷从 不允许的区域移入到安全区，这类似于金属结构的塑性被许可为安全区。但必须 满足一些条件。首先，在任何情况下，初始退化载荷不能低于极限载荷，其次， 要考虑静力，低周载荷以及几何非线性下退化，
5、这对破坏精确和可靠模拟极为重 要。ShorteningShortening图典型复合材料加筋壁板当前和未来的设计方案COCOMAT计划按如下6步完成：(1)用现有工具对有/无损板破坏分析：所选择的的软件是否有退化功能，工具的 能力及优缺点(2)材料性能，退化研究，设计静力及循环测试的平板：有2个注意点，首先是 制造和测试面板的设计，在第4步中进行，为了获得小型试样复合材料的性能； 另一点是要获得实验的退化模型，小的实验结构可以是加筋壁板，研究重点是面 和筋的分离。在这项工作中，模型将被分析验证。(3)改进破坏仿真程序：考虑破坏的快速和慢速仿真工具的提高和改进，退化将 被考虑。快速指经济可靠型设
6、计过程，减少设计时间，而慢速指结果非常精确但 需要证明。最终，将通过实验结果验证这些工具的准确性。(4)制造、检测无损平板(步骤2中设计)，并通过静力和循环载荷对其测试： 这步工作的细节是制造和测试无损平板。其目标是扩大无损平板在静力和低周载 荷下的破坏数据库，并作为改进软件的评估数据。依据第2步，共22个无损预 浸料复合材料板每个含有梁片，其中14个单面板，另外8个组合成4个闭合零 件。(5)制造、检测预损平板(由第2步设计)，并由静力和循环载荷试验对其测试: 这项工作包含制造和测试预损板。结构设计同前面的工作相同，但平板在实验前 有人为的损伤。选择同样的设计是为了更好的评估损伤对破坏的影响
7、。目标是扩 展预损伤平板的破坏数据库，评估改进的软件工具。共25个预损板，同样每个 含有梁片,其中有13个单板，12个构成6个封闭的零件。(6)设计指南和生产参数依据：包括最终的技术部分，所有的计划结果被结合起 来为了获得最终的设计指南，并能用新的工具验证。总结改进的仿真程序、设计 文件及试验文件和评估结果。2 .项目的研究内容目前的后屈曲分析由于较高的非线性是非常耗时的，并且不适合用于设计 中。快速、准确是现在设计所需要的。本项目的研究内容是：改进复合材料机身 结构夹筋壁板的后屈曲模拟，建立快速可靠的后屈曲分析规程，开发新的后屈曲 分析软件包，并依靠实验来验证；准确模拟复合材料加筋壁板的破坏
8、，提高材料 的利用率，考虑材料的退化。另外的一个目标就是建立广泛的实验数据库，其作 用也是用来检验模拟的正确性。具体研究步骤如下：(1)改进快速和慢速复合材料机身加筋壁板屈曲模拟工具，预报后屈曲强度。快 速可靠工具可在设计和分析中减少大量时间，而慢速精确的工具是生产中所 必须的验证依据。(2)改进复合材料机身加筋壁板破坏模拟工具，考虑面、梁分离和材料退化，损 伤对破坏的影响。通过破坏模拟分析，可提高材料的利用率，减轻重量，提 高结构安全性。(3)扩展试验数据库，设计实验试件，测试真实试件的材料性能。试验数据是验 证和分析屈曲模型、破坏模型所不可缺少的，也是其它分析工具的依据。分 析工具服务于实际生产应用，实际生产又产生设计和实际经验，测试知识和 模拟工具3 .本项目的特色与创新之处。本项目的创新点：在宏观的结构模型中引入微观的损伤，建立多尺度复合材 料机身结构的屈曲模型和破坏模型，并设计相应的试验结构对模型进行验证。