顶破式异型复合材料夹层盖的结构设计与实验研究

论文摘要

由于复合材料所具有的比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、可设计性等诸多特点它在航空航天以及其他众多领域得到越来越多的应用。而由于复合材料性能得复杂性，合理完善的结构设计对提高结构的整体性能起到重要作用。本文提出了一种顶破式异型复合材料箱盖，拟采用有限元方法研究其力学性能，并优化其结构设计与成型工艺,本文研究工作包括以下几点：采用虚拟裂纹闭合法，分析胶接结构在破坏过程中的裂纹扩展，并得到不同搭接参数的胶接结构在受拉弯载荷作用时的破坏载荷并拟合曲线，为后续易碎盖薄弱区设计提供了依据。根据顶破式异型复合材料箱盖的技术要求，初步设计了平板与夹层两种主体结构方案，并运用夹层结构等效法则对两种结构整体刚度进行对比分析。采用有限元法对易碎盖整体进行数值模拟研究，考察了盖体在承压及集中载荷作用下的变形及应力分布，并根据盖体薄弱区相应区域节点载荷，选取满足要求的搭接结构。根据有限元分析结果进行方案优化，分别制作出平板和夹层两种不同形式的复合材料箱盖。采用PAM-RTM软件验证了真空吸胶成型工艺的可行性。对易碎盖进行承压、顶破一系列的试验，记录其破坏模式和相关实验数据。通过有限元分析与实验结果，得到结论：平板结构形式盖体无法满足设计要求，而设计合理的泡沫夹层结构易碎盖，能够满足课题的既定要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景及研究目的概述
• 1.3 有限元法概述
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 本文章节安排
• 第二章 异型盖的设计要求与设计思路
• 2.1 引言
• 2.2 盖体设计要求
• 2.3 箱盖设计思路
• 2.4 薄弱区结构设计
• 2.5 盖体强度校核
• 2.6 本章小结
• 第三章 盖体薄弱区强度性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 薄弱区静力学分析
• 3.2.1 软件介绍
• 3.2.2 计算模型与材料参数
• 3.2.3 强度准则
• 3.2.4 结果与分析
• 3.3 薄弱区破坏模拟
• 3.3.1 分析方法介绍
• 3.3.2 有限元模型与材料参数
• 3.3.3 结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 易碎盖刚度与强度性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元分析软件介绍
• 4.3 易碎盖有限元建模
• 4.3.1 模型建立与网格划分
• 4.3.2 泡沫夹层等效分析计算
• 4.4 整体模型承压工况有限元分析
• 4.5 整体模型集中载荷工况有限元分析
• 4.5.1 盖体顶破工况有限元分析
• 4.5.2 盖体整体有限元分析小结
• 4.6 薄弱区参数校核
• 4.7 中心处预置件尺寸校核
• 4.8 本章小结
• 第五章 盖体制作与试验验证
• 5.1 引言
• 5.2 双面搭接验证试验
• 5.3 盖体制作成型
• 5.3.1 盖体选材
• 5.3.2 真空辅助成型工艺
• 5.3.3 真空辅助成型模拟
• 5.4 箱盖承压试验方案与分析
• 5.4.1 盖体承压实验
• 5.5 夹层结构箱盖顶破试验方案与分析
• 5.6 实验结果总结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 顶破式异型复合材料箱盖研究总结
• 6.2 顶破式异型复合材料箱盖展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文