CN105752316A - 用于复合材料机翼的蒙皮桁条设计 - Google Patents

用于复合材料机翼的蒙皮桁条设计 Download PDF

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Abstract

复合材料蒙皮-桁条结构，其减少或消除在蒙皮-桁条界面处分层的风险。这能够通过以叠层的方式设置层片方向(即，层片的纤维路径的角度)，使得对于主导负荷，所述蒙皮和桁条每个将以减少在蒙皮桁条界面处相对打开(断裂模式I)和/或滑动(断裂模式II)和/或剪切(断裂模式Ⅲ)的方式变形。当具体变形模式之间耦合时，被有意地激活而不是被抑制，这是可能的。在桁条里的层片方向被调节，使得桁条以受控的方式变形从而抑制或“关闭”裂纹，所述裂纹大约在施加破坏形式的不期望模式(如，施加负荷)之前形成。

Description

用于复合材料机翼的蒙皮桁条设计
技术领域
本公开大体涉及飞行器，并且特别地涉及飞行器结构。更特别地，本公开涉及飞行器的桁条和其他结构设计。
背景技术
飞行器正在以增加复合材料的百分比而被设计和制造。一些飞行器可具有50％以上由复合材料制成的主结构。复合材料可以被用于飞行器中以减少飞行器的重量。这种重量下降可改善有效载荷能力和燃料效率。此外，复合材料可以为在飞行器中的各种部件提供更长的使用寿命。
复合材料通常为通过组合两种或更多种不相似的部件创造的坚韧、轻质的材料。例如，复合材料可包括纤维和树脂。所述纤维和树脂可被组合以形成固化的复合材料。
另外，通过使用复合材料，飞行器的部分可由较大片或较大部分来创造。例如，飞行器中的机身可由圆筒状的部分来创造，所述圆筒状的部分可被放在一起以形成飞行器的机身。其他的示例可包括，但不限于，翼部连接以形成机翼，或安定面部分连接以形成安定面。
桁条是可由复合材料制造的部件的示例。桁条是细长构件并且经配置附接到另一结构，如面板。例如，桁条可被附接到用于飞行器的蒙皮面板。该蒙皮面板可在飞行器的机翼、机身或其他部件中使用。桁条也可有助于携带和/或转移负荷。例如，桁条可从蒙皮面板传送加载到另一结构。这种其它结构可以是，例如，框架或肋。
复合材料蒙皮桁条交互结构在主导负荷(dominantload)下容易分层。蒙皮桁条界面开裂(分层)的问题不利于飞行器结构(诸如，机翼)的完整性。在复合材料叠层中的传统设计规则(平衡或对称性)用于避免不期望的破坏模式和耦合效应，但这些设计规则限制堆叠顺序。
现有的解决方案包括增加在故障点处桁条和/或蒙皮的厚度；并且重新设计问题区域旁边的蒙皮和桁条以发散来自故障点的负荷。这些解决方案导致花费在重新设计上的重量代价、制造成本以及额外时间。
将有利于提供界面不易开裂的蒙皮桁条结构。
发明内容
在下面详细公开的主题包括复合材料蒙皮桁条结构，其减少或消除在蒙皮桁条界面处分层的风险。这能够通过以叠层的方式设置层片方向(即，层片的纤维路径的角度)，使得对于主导负荷，所述蒙皮和桁条每个将以减少在蒙皮桁条界面处相对打开(断裂模式I)和/或滑动(断裂模式II)和/或剪切(断裂模式Ⅲ)的方式变形。当具体变形模式之间耦合时，被有意地激活而不是被抑制，这是可能的。技术在本文被提出以安排复合材料层压板的堆叠顺序以便利用耦合刚度矩阵的非零元素。
所提出的方案通过调节在桁条中的层片方向使得桁条以受控的方式变形从而抑制或“关闭”裂纹以解决现存问题，所述裂纹大约在施加破坏形式的不期望模式(正如施加负荷)之前形成。这样的设计将使蒙皮桁条界面结构的重量减小以及消除重新设计周围结构的需要。所调节的层片方向能够使用转向光纤技术制造桁条来实现。本文所公开的设计和制造的方法的实施方式能够避免在后期生产阶段昂贵的连续的设计变更。
如本文所用，术语“层片方向”和“层片角度”被同义地使用并且指的是在层片中平行纤维的角度，相对于参照方向或轴线进行测定。如本文所用，术语“对称层压板”是指一种层压板，其中针对每一层片在层压板中平面之上，在中平面之下有相同的层片(材料和层片角度)距离相等。(因此，如本文所用，术语“非对称层压板”是指一种层压板，其不是对称的层压板。)如本文所用，术语“平衡层压板”是指一种层压板，其中针对每一层片具有+θ层片角度，在层压板的某处有具有θ层片角度的另一层片。这对具有±θ层片角度的层片不必彼此相邻。对称与平衡的这些最常见的限定是按几何原理被激活。如果所得的耦合或B矩阵(如下所述)消失，那么更一般的限定将称为堆叠顺序对称。同样，如果所得的平面/剪切耦合(下面所述的A16、A26元素A矩阵)消失，堆叠顺序可能被称为平衡。按几何原理启发的限定对于B矩阵或A刚度矩阵A16、A26元素消失是足够的但非必要的。
在下面详细公开的主题的一个方面为具有至少一个凸缘的复合材料构件，所述至少一个凸缘包括复合材料层压板，所述复合材料层压板包括具有自由边的一组复合材料的层片，所述组的层片包括以各自层片角度取向的纤维或在层片内以不同角度转向的纤维，所述纤维经布置导致以抑制在所述组的第一层片和复合材料蒙皮的部分的界面处有分层倾向的方式耦合第一和第二变形模式，所述至少一个凸缘粘合到所述复合材料蒙皮的部分同时复合材料蒙皮的该部分在垂直于所述至少一个凸缘的自由边的方向上被加载。在一些情况下，第一变形模式是轴向变形模式，而第二变形模式是弯曲变形模式。根据一些实施例，所述至少一个凸缘的复合材料层压板是非对称和非平衡或平衡的。在一些实施例中，所述组的层片中的至少一个层片具有层片角度，该层片角度不等于下列层片角度中的任何一个：0度、±45度和±90度。这样的实施例被称为非传统叠层。所述至少一个凸缘的复合材料层压板的每层片界面具有破坏标准值(该破坏标准值是模式I、II和III能量释放速率的组合)，该破坏标准值小于与自由边分层开始相关的关键破坏标准值。
以下所公开的主题的另一个方面为包括包含具有自由边的第一组层片的第一复合材料层压板和包含第二组层片的第二复合材料层压板的复合材料结构，所述第一和第二复合材料层压板粘合在邻近于自由边的界面处，其中所述第一组层片包括以各自层片角度取向的纤维或在层片内以不同角度转向的纤维，所述纤维经布置导致以抑制当第二复合材料层压板沿垂直于自由边的方向被加载时在界面处有分层倾向的方式耦合第一和第二变形模式。根据一些实施例，第一复合材料层压板形成桁条的凸缘并且第二复合材料层压板形成被粘合到桁条的蒙皮。第一复合材料层压板是非对称和非平衡或平衡的。在一些实施例中，第一组层片中的至少一个层片具有层片角度，该层片角度不等于下列层片角度中的任何一个：0度、±45度和±90度。第一复合材料层压板的每个层片界面具有破坏标准值(该破坏标准值是模式I、II和III能量释放速率的组合)，该破坏标准值小于与自由边分层开始相关的关键破坏标准值。
进一步的方面是一种用于抑制在包括第一复合材料层压板和第二复合材料层压板的复合结构中的界面分层的方法，其中所述第一复合材料层压板包括具有自由边的第一组层片并且所述第二复合材料层压板包括第二组层片，所述第一和第二复合材料层压板粘合在邻近于自由边的界面处，所述方法包括：限定所述第二复合材料层压板的特性；限定第一复合材料层压板的所期望的特性；限定所预测的加载和分层位置；选择概率策略或优化策略；使用所选择的策略调节所述第一复合材料层压板候选叠层的层片角度从而满足所期望的特性；以及检验所述候选叠层满足所期望的特性，其中所期望的特性包括抑制在所述第一复合材料层压板的自由边附近的所述第一和第二复合材料层压板的界面处的分层，并且其中所述调节和检验步骤由计算机系统执行。
所述方法可进一步包括制造满足所期望的特性的第一复合材料层压板。所述检验步骤包括计算与在第一和第二复合材料层压板的界面处分层相关联的破坏标准值(模式I、II和III能量释放速率的组合)，并且计算与在第一复合材料层压板的相应层片界面处的自由边分层相关联的破坏标准值。当概率策略被选择时，所述调节步骤包括使用概率密度函数生成第一复合材料层压板的随机叠层，并且所述检验步骤包括丢弃随机生成的不满足一个或更多个所期望的特性的叠层。当优化策略被选择时，所述调节步骤包括调节优化问题以说明违反的约束。
下面公开和要求保护复合材料蒙皮桁条结构的其它方面和其设计方法。
附图说明
图1是表示由复合材料制成的T形桁条和蒙皮之间的传统界面的端视图的图示。
图2包括表示正在经受压力负荷(由箭头指示)的复合材料蒙皮桁条结构的端视图的图示，和表示横穿在图示中所描述的蒙皮桁条界面的应力的图形。
图3是表示在图2中所描述的复合材料蒙皮桁条界面的部分的图示。所预期的分层位置由桁条凸缘的边缘已从蒙皮分离的区域指示。
图4是示出具有可变层片角度θ的四层片层压板(非对称但平衡的)的结构的图示。分层/缺陷位置沿具有层片角度＝0°的两层片之间的界面指示。在右手侧的箭头表示张力负荷；在左手侧的箭头表示反应负荷。
图5是集中裂纹尖端负荷Nc与图4中所描述的四层片层压板的层片角度θ的关系的图形。
图6是集中裂纹尖端力矩Mc与图4中所描述的四层片层压板的层片角度θ的关系的图形。
图7是能量释放速率与图4中所描述的四层片层压板的层片角度θ的关系的图形。
图8是耦合刚度矩阵的元素B11与单独的桁条和蒙皮桁条结构的层片角度θ的关系的图形。
图9是弯曲刚度矩阵的元素D11与单独的桁条和蒙皮桁条结构的层片角度θ的关系的图形。
图10是示出用于设计具有改善抗分层性的复合材料蒙皮桁条结构的工序流程的流程图。
图11包括指定的图11A和图11B的相应表格，其形成示出一种用于使用概率策略设计具有改善的抗分层性的复合材料蒙皮桁条结构的方法的步骤的分析流程图。
图12是示出用于硬叠层的概率密度函数作为层片角度θ的函数的图形。
图13是表示粘合到复合材料蒙皮面板的复合材料叶片桁条的等距视图的图示。箭头指示趋向于使自由边分层的压缩加载。
图14是示出一种用于使用最优化策略设计具有改善的抗分层性的复合材料蒙皮桁条结构的方法的步骤的分析流程图。
图15是飞行器生产和维护方法的流程图。
图16是示出飞行器的系统的框图。
下文将参照附图，其中不同附图中的相似元素具有相同的附图标记。
具体实施方式
下面将详细地描述用于设计具有改善的抗分层性的复合材料蒙皮-桁条结构的方法的各种实施例。下面的详细描述本质上是说明性的，而并非旨在限制权利要求覆盖所公开的实施例或所公开实施例的所公开应用和用途。
图1是表示叶片桁条2和蒙皮4之间的传统界面的端视图的图示，所述桁条和蒙皮每个由复合材料制成。示出叶片桁条的目的仅用于说明。本文所公开的分析能够以相等的功效应用于其他类型的复合材料桁条。
参考图1，叶片桁条2包括大致细长的、相邻的、并联叶片8a和8b所形成的片材。每个叶片8a和8b可包括树脂注入织物的各层之间的复合材料层片的相应多重性。叶片桁条2进一步包括一对凸缘10a和10b，其从各叶片8a和8b在相应的叶片/凸缘接合部处向外延伸。每个凸缘10a和10b的平面可被设置成在相对于对应的所述叶片8a、8b的平面大致垂直关系中。叶片桁条2进一步包括基底装载部(basecharge)6。凸缘10a和10b被粘合到基底装载部6，其进而被粘合到蒙皮面板4。由复合材料制成的填面12填充由叶片/凸缘接合部和基底装载部6粘合的通道。
为了进一步说明叶片桁条2的结构，一个示例性实施例可具有由在第一层织物和第二层织物之间夹着的复合材料的16个层片组成的凸缘10a，而基底装载部6可由在第三层织物和第四层织物之间夹着的16个层片组成，凸缘10a的织物的第二层片被粘合到基底装载部6的织物的第三层片。织物的第一和第四层片可具有以±45°取向的经纱和纬纱。在传统层压板的情况下，所述32个层片可具有0°、±45°和±90°的层片角度；在非传统层压板的情况下，所述32个层片可具有0°、±45°、±90°和其它角度的层片角度。
图2包括表示正在经受压力负荷(由箭头指示)的复合材料蒙皮桁条结构的端视图的图示，以及表示横穿图示中所描述的蒙皮桁条界面的应力的图形。在本示例中，复合材料蒙皮桁条结构再次包括具有倒T形状的叶片桁条2和蒙皮面板4。叶片桁条2被粘合到蒙皮面板4。在某些情况下，当蒙皮面板4经受轴向负荷时，轴向加载可导致叶片桁条2从蒙皮面板4分层，特别是在最大剥离应力发生的区域(见图2中所示)。这种现象通过施加轴向负荷到蒙皮叠层而桁条未被加载进行模拟。
当轴向负荷被施加到蒙皮叠层时，所预期的分层位置由图3中的间隙14指示。图3中的箭头16指示施加到蒙皮4的拉伸轴向负荷。然而，轴向负荷可替代为压缩的。蒙皮桁条界面开裂(即，分层)的问题是不利于复合材料结构的完整性。本文所公开的设计过程通过调节桁条中的层片方向使得桁条以受控的方式变形来抑制或“关闭”裂纹以减轻分层问题，所述裂纹是大约在负荷被施加时形成的(在破坏形式的不期望模式之前)。
调节层片方向以抑制分层的基本概念现在将参照图4至图9中简单的示例进行描述，在所述示例中，平衡的四层层压板的顶部的两个相邻层片20和22分别具有-θ和+θ的层片角度。然而，应当理解，此通用4层层压板只是旨在简单说明所述概念的示例层压板。它的堆叠顺序是层片角度可被如何选择以产生非对称性的一个示例。层片20和22具有相反的层片角度是没有必要的，只要所选择的层片角度总体效果是产生抑制分层的非对称性。
大多数复合材料层压板是高度各向异性的。各向异性能够被用于控制连续动态力学行为。在实践中，复合材料层压板由几十到几百个堆叠的层或层片组成。众所周知，在复合材料层压板中个别各向异性层的力学行为能够用于模拟层压板的力学响应。这允许设计者定制弹性性质和每个层(即，层片)的定向，使得复合材料层压板的力学响应将被优化。
众所周知，在复合材料层压板中合力(内平面的力N和力矩M)和张力(张力ε0和曲率k)之间的关系能够通过形成刚度矩阵A、B和D进行表征，并且随后将这些刚度矩阵代入涉及已知内平面张力ε0和曲率k以及未知内平面加载N和力矩M的等式中。得到的等式是：
{ N } { M } = [ A ] [ B ] [ B ] [ D ] { ϵ o } { k }
其中A被称为拉伸刚度，B被称为耦合刚度，以及D被称为层压板的弯曲刚度。形成刚度矩阵A、B和D是复合材料层压板分析中的重要步骤。用于复合材料层压板的A、B和D矩阵能够被用于控制并且因此设计层压板的力学行为。
图4是示出具有可变层片角度θ的四层层压板(非对称但平衡的)结构的图示。此四层层压板表示泛型层压板，其中顶部三层20、22和24是完整桁条(包括总共三个层片)的表示，并且底层26是完整蒙皮(包括总共一个层片)的表示。角度θ的每个值对应于具有各层片内恒定角度的独立层压板。例如，如果θ＝0°，则此层压板的层片角度将为[0°，0°，0°，0°]，而如果θ＝5°，则此层压板的层片角度将为[-5°，5°，0°，0°]。角度θ在单个层片内不改变；在单个层片内的所有纤维具有相同的方向角θ。当角度θ被改变时，所有纤维移动到θ的新值。
图4中所描绘的四层层压板图示说明了本文所公开的裂纹闭合机制如何工作。分层/缺陷位置14沿着具有层片角度θ＝0°的层片24和26之间的界面被指示。图4中右手侧的箭头16表示施加到代表蒙皮的层片26的张紧负荷；在左手侧的箭头18和28表示反应负荷。层片角度可被选择为使得当轴向负荷被施加到层片26时在位置14处不会发生分层。
如图5至图9所示的曲线存在各种参数值，所述值表征图4中所描绘的四层层压板的机械性能并且是层片角度的函数。对每个所述值进行比较的基准是对称叠层(即，当层片角度θ＝0°时)。当人开始改变层片角度θ，叠层变得不对称。这导致分别改变裂纹尖端负荷、裂纹尖端力矩以及模式I和II能量释放速率，即，它们被减小(绝对值)，如由在图5、图6和图7中带圆圈的区域所指示的。裂纹尖端负荷、裂纹尖端力矩以及模式I和II的能量释放速率的减小指示减少分层对桁条设计的影响。
裂纹尖端力Nc和裂纹尖端力矩M是被假定在Davidson公式(在下面更详细描述)中的裂纹尖端的理想化存在的量。在分别见于图5和图6中的曲线Nc和Mc中，水平轴线以弧度表示层片角度θ。层片角度θ是在层压板中不对称度数的测量。当θ为零时，则层压板是对称的；并且当θ增大时，层压板变得不对称。这些曲线Nc和Mc指示当θ增加时，Nc和Mc幅度减小。因此，指定的Nc和Mc减小是相对于它们在θ＝0°时的值。Nc和Mc减小的原因是与层压板变得不对称相关联的层压板刚度特性的变化。
在图4中所示的层压板表示在一般界面断裂问题中的裂纹尖端区域的三维部分。经典板理论能够被用于预测在此层压板中的整体变形和应变能量。已经示出加载在产生应力奇点的裂纹尖端元素上能够根据集中裂纹尖端力Nc和力矩Mc进行完全表征。裂纹尖端元素的能量释放速率G可通过改进的虚拟裂纹闭合方法得到。总能量释放速率G＝GI+GII+GIII，其中针对所讨论的两维情况，GIII＝0，并且GI和GII是由Davidson等人在"AnAnalyticalCrack-TipElementforLayeredElasticStructures,"ASMEJournalofAppliedMechanics,Vol.62,June(1995),pp.294-305(“针对分层的弹性结构的分析裂纹尖端元素”，ASME应用力学杂志，第62卷，1995年6月，第294-305页)第中定义的关联的模式I和模式II能量释放速率。更具体地，GI是断裂模式I部件(开启模式)，GII是断裂模式II部件(滑动模式)，并且GIII是断裂模式III部件(剪式模式)。
图7是能量释放速率G、GI和GII(GIII＝0)与图4所描绘的四层层压板的层片角度θ的关系的图形。如见于图7，随着层片角度θ增大，这些能量释放速率减小。随着层片角度变化，其它参数也改变。例如，图8是耦合刚度矩阵的元素B11与单独的桁条(实线)和蒙皮桁条结构(虚线)的层片角度θ的关系的图形，而图9是弯曲刚度矩阵的元素D11与单独的桁条(实线)和蒙皮桁条结构(虚线)的层片角度θ的关系的图形。
B11和D11是经典层压板理论的板刚度矩阵的各自术语。B11是层压板非对称性的指标之一，并且D11是层压板弯曲刚性的指标之一。标记有“STRINGER(桁条)”的曲线表示计算的包含图4中所示的顶部三个层片20、22和24的层压板的B11值。标记有“SKIN+STRINGER(蒙皮+桁条)”的曲线表示计算的用于整个层压板，即包括图4中所示的所有四个层片20、22、24和26的层压板的B11值。曲线D11是类似的。
图10是示出用于设计具有改善的抗分层性的复合材料蒙皮桁条结构的工序流程的流程图。设计流程开始于问题(流程50)的限定。问题限定流程50包含以下步骤：针对给定的蒙皮、加载和缺陷/裂纹位置，所期望的桁条特性的选择(步骤52)；概率策略或优化策略的选择(步骤54)；以及过滤标准和工具的选择(步骤56)。
在步骤52中选择的桁条特性可包括厚度、刚度、叠层对称性、平衡以及层压板类型。在一些情况下，相关的层压板类型是只具有层片角度0°/±45°/90°的传统层压板或可具有不同于层片角度0°/±45°/90°和除了层片角度0°/±45°/90°之外的层片角度的非传统层压板(NTL)。在其他情况下，相关的层压板类型是光纤转向的层压板。
仍然参照图10，步骤56可包括以下任意一项：使用Davidson破坏标准K，其是类似于安全MS中的余量(MS＝K-1)的断裂性能指标；使用Davidson在"EnergyReleaseRateDeterminationforEdgeDelaminationUnderCombinedIn-Plane,BendingandHygrothermalLoading.PartI—DelaminationataSingleInterface,"JournalofCompositeMaterials,Vol.28,No.11(1994),pp.1009–1031(在组合的平面内、弯曲和湿热加载下针对边缘分层的能量释放速率确定，第一部分——在单个界面处的分层，复合材料杂志，第28卷，第11期(1994)，第1009-1031页)中公开的自由边分层方法；使用虚拟裂纹闭合技术的基于有限元分析的实施方式；等等。
在问题限定之后，基于来自蒙皮的桁条分层被抑制的标准，多个候选桁条叠层被创建和过滤。在候选桁条叠层产生期间，在每个桁条复合材料叠层中的层片角度和堆叠被调节以满足使用所选的策略的设计标准(步骤58)。NTL层片角度允许更多的设计标准在同一时间被满足。特定变形模式之间的耦合被有目的地激活以抑制分层(B刚度矩阵的非零元素)。已经进行了调节后，将所得的(一个或更多个)设计解决方案进行测试，从而检验所有所要求的设计条件都已经满足，包括分层抑制(步骤60)。
用于设计具有改善的抗分层性的复合材料蒙皮桁条结构的流程的两个实施例以下将分别参照图11和图14进行描述。图11示出采用概率策略的设计流程的步骤。图14示出采用优化和有限元分析的设计流程的步骤。
图11的分析流程图的各自部分出现在分开的片材上(即，图11A和图11B)。流程图的第一部分被呈现于图11A中；流程图的第二部分被呈现于图11B中。流程图示出一种用于使用概率策略设计具有改善的抗分层性的复合材料蒙皮桁条结构的方法的步骤。如下面更详细地说明，这样的设计方法通过随机地选择每个层片的层片角度(即，方向)生成叠层。图11中所描绘的设计流程根据轴向刚度、弯曲刚性和分层性能(即，破坏标准)使桁条的设计优于基线叠层。
对于许多应用，优选的是复合材料层压板被设计成提供所谓的“硬”叠层。“硬”或“软”指复合材料层压板的轴向刚度。“硬”桁条是具有高轴向刚度、或例如沿机翼的翼展方向的高弹性模量的一种桁条。然而，应该理解，本文所公开的设计流程和概念也能够在不是硬层压板的其他叠层的设计和制造中被采用。
使用概率策略的硬叠层设计流程的开始被示于图11A中。在初始步骤100中，所期望的硬蒙皮桁条配置根据至少以下规格来限定：蒙皮叠层、桁条平衡、所推定的初始切痕/裂纹位置以及加载。
在下一步骤102中，所期望的近似桁条硬度被选择。“硬”层压板是由具有在取向接近于零度的层压板中层片的高百分比而实现。(例如，零度表示机翼的翼展方向)。因此，当许多0°层片(或接近0°的层片)存在时，叠层被认为是“硬”的；当少量层片接近0°方向时，叠层被认为是“软”的。两者之间没有明确限定的边界。硬度中的一个可能的度量可被限定为例如沿机翼的翼展方向和翼弦方向的轴向刚度之间的比。
此外，在步骤102中的“％0/±45/90°”指称为“0、±45和90度纤维的有效百分比”的度量。所述度量适用于传统层压板以及非传统层压板。即使在层压板中的纤维没有以0、±45°和90度方向被取向，人们能够计算出0、±45和90度纤维的有效百分比。
作为步骤102的部分，用于硬叠层的概率密度函数被选择或创建。图12是示出用于硬叠层的概率密度函数(PDF)作为层片角度θ函数的图形。PDF是迫使随机产生的叠层具有一定硬度的函数。因此，设计者通常创建并随后存储针对每个硬度的相应PDF。在步骤102中，设计者选择将要产生所期望硬度的PDF。在准各向同性叠层被期望的情况下，能够使用不同的PDF(具有在比图12所示范围更宽范围的层片角度上相对接近1.0的重量)。
再次参考图11A，在下一步骤104中，桁条叠层类型被选择。所选桁条叠层类型可以是非传统层压板或重组传统层压板，在所述非传统层压板中，层片角度在-90°和90°之间变化，在所述重组传统层压板中，层片角度被限制在0°、±45°和90度。然而，如果合适的话，本文所公开的设计概念适用于如下的转向的纤维层片。从应变场的角度来看，层片可近似为不同部分的集合，其中纤维取向角度从部分变化到部分，但是每个部分内是恒定的。可分别针对每个部分来执行所述分析。
适当编程的计算机随后被用于使用所选择的概率密度函数生成多个随机叠层(步骤106)。角度随着生产分层抑制不对称性的目标偏向0°。此外，传统层压板的层片被重组以创建不对称性。
产生叠层的过程是通过随机选择每个层片的层片方向。然而，如果选择任何角度的概率相等时，那么所得的叠层将是准各向同性的，因为它会在所有方向中具有均匀分布的层片。为了避免这种情况，设计者能够以较高概率选择0°层片而不是其他方向的方式偏置选择层片方向。PDF示出选择某些方向层片的概率。因此，当PDF曲线中存在“凸点”时(如图12中所示)，0°层片(或接近0°层片，而不是具有其他纤维方向的层片)将更有可能被选择。当更多的0°层片存在时，那么“较硬”叠层能够被生产。
在图12中所示的PDF类型使设计者能够生产随机生成的具有符合所期望硬度的硬度的叠层。PDF在范围内施加权重谱(即，偏置因数)到层片角度。对于0°纤维，权重因数(或“偏置因数”或相对概率)为1.0。对于±90°纤维，权重因数约为0.2。0°纤维的权重因数更大。这意味着，当随机生成叠层时，在产生所得的叠层中0°(或接近0°)纤维方向的存在更有可能。同样的逻辑适用于0°和90°之间的任何纤维方向。结果，“权重谱”驱使产生的叠层硬度接近于所期望的硬度。
如果平衡桁条是所期望的，那么随机产生的候选叠层然后被筛选(步骤108)，仅保留那些平衡叠层(即，A16刚度项近似等于零)。相同的计算机(或不同的计算机)被编程以执行以下的分析步骤。
对于每一个所得的叠层，桁条和蒙皮之间分层的能量释放速率的模式I、II和III部件被计算(图11A中的步骤110)。能量释放速率是在每单位新创建的断裂表面面积断裂期间所消耗的能量。分别对应于断裂模式I、II和III的能量释放速率GI、GII和GIII能够使用Davidson奇异场方法或合适的可替代理论进行计算。关于使用Davidson奇异场方法计算能量释放速率的细节由Davidson等人在"AnAnalyticalCrack-TipElementforLayeredElasticStructures,"ASMEJournalofAppliedMechanics,Vol.62,June(1995),pp.294-305(“针对分层的弹性结构的分析裂纹尖端元素”，ASME应用力学杂志，第62卷，1995年6月，第294-305页)中公开。
在已计算能量释放速率GI、GII和GIII之后，破坏标准K被计算(步骤112)，其中：
K = 1 G I G I c + G I I G I I c + G I I I G I I I c
破坏标准K是类似于安全MS(即，MS＝K-1)余量的断裂性能指标。破坏标准规定，当破坏标准K的值低于为1.0的临界值时裂纹将开启并生长。数量GIc、GIIc和GIIIc分别是对于断裂模式I、II和III的层间断裂韧度，并且被认为是所施加的加载和主体的几何形状独立的材料性质。
在图11A中的下一步骤114中，筛选用于破坏标准的最高值的候选叠层。
现在参考图11B(其是图11A的延续)，不属于同批破坏标准最高值的叠层被过滤掉(步骤116)，即，根据进一步的考虑排除。(具有最高破坏标准值的)剩余候选叠层然后被筛选为轴向刚度和弯曲刚度的最高值(步骤118)。不属于同批轴向刚度和弯曲刚度的最高值的叠层被过滤掉(步骤120)，即，根据进一步的考虑排除。
具有非增强边的复合材料层压板可不再通过自由边分层。图13是表示复合材料叶片桁条2的等距视图的图形。叶片桁条2包括大致细长的、相邻的、并联叶片8a和8b所形成的片材、从各叶片8a和8b在相应的叶片/凸缘接合部处向外延伸的一对凸缘10a、10b以及基底装载部6。凸缘10a和10b被粘合到基底装载部6并且粘合到彼此，从而形成一对自由边30a和30b。由复合材料制成的填面12填充由叶片/凸缘接合部和基底装载部6粘合的通道。在图13所描绘的示例中，箭头指示趋向于使自由边分层的压缩加载。
自由边分层的发生和发展可通过各自破坏标准K值至其临界值(1.0)的比较来预测。在下一步骤122(参照图11B)中，剩余候选叠层通过计算自由边分层的能量释放速率GI、GII和GIII检查在每层片界面处的自由边分层。自由边分层的能量释放速率GI、GII和GIII可使用Davidson自由边分层的方法或合适的可替代理论进行计算。Davidson自由边分层方法是由Davidson在"EnergyReleaseRateDeterminationforEdgeDelaminationUnderCombinedIn-Plane,BendingandHygrothermalLoading.PartI—DelaminationataSingleInterface,"JournalofCompositeMaterials,Vol.28,No.11(1994),pp.1009–1031(在组合的平面内、弯曲和湿热加载下针对边缘分层的能量释放速率确定，第一部分——在单个界面处的分层，复合材料杂志，第28卷，第11期(1994)，第1009-1031页)中公开。
在步骤110中桁条和蒙皮之间分层的分析是来自步骤122中所执行的自由边分层分析的单独分析。因此，在每个分析中计算能量释放速率GI、GII和GIII的技术是不同的。例如，在步骤110中，计算机计算由桁条代表的上部叠层和由蒙皮代表的下部叠层的能量释放速率。与此相反，在步骤122中，计算机执行许多这样的计算。例如，计算机能够首先计算由桁条单个顶部层片代表的上部叠层和由除了桁条顶部层片之外的所有层片代表的下部叠层的能量释放速率；然后计算由桁条的两个最顶部层片代表的上部叠层和除了桁条的两个最顶部层片之外的所有层片代表的下部叠层的能量释放速率；等等。
在形成飞行器机翼部分的蒙皮桁条结构情形中，桁条和蒙皮之间的裂纹闭合，或对于分层易感性的减少涉及在沿机翼的翼弦方向施加负荷的作用下桁条和蒙皮之间的分层。与此相反，自由边分层分析涉及在沿机翼的翼展方向施加负荷的作用下桁条内部层片之间的分层。
再次参考图11B，对于自由边分层被预测发生在层片界面处的这些候选叠层被过滤掉(步骤124)，即，根据进一步的考虑排除。
然后附加分析被执行以进一步筛选幸存候选叠层(步骤126)，包括但不限于以下分析中的一个或更多个：缺口强度、子层压板稳定性、热残余应力和相互渗透。
在步骤128中，确定步骤126的分析指示一个或更多个幸存候选桁条叠层是否可接受。如果任何候选叠层都是可接受的，那么分析流程结束。所接受的候选叠层能够被存储在计算机存储器中以形成桁条设计的数据库。接着，桁条能够使用这些从数据库中检索出的桁条设计中的任何一个进行制造。
如果确定在步骤128中没有一个候选桁条叠层是可接受的，那么设计者能够通过返回到先前步骤并调节过滤参数来调节设计流程。更具体地，在图11B中的“OR”语句意味着设计流程能够返回过滤器116或过滤器120。设计者在图11B中的“OR”语句后能够选择进行哪个分支。任一指定的选择都将是有效的并且不改变途径。
在一些情况下，设计者能够选择改变过滤器116的过滤参数，使得新一批具有较少最优(即，较低)破坏标准值的候选叠层被通过用于进一步分析。换句话说，步骤114被有效地改变，使得由步骤112最初产生这些候选叠层将被筛选，其具有破坏标准较少最优值而不是最高值。这意味着，过滤器116将筛选出具有最高值和最低值的候选叠层，通过具有较少最优破坏标准值的候选叠层。
在另一些情况下，设计者能够选择改变过滤器120的过滤参数，使得新一批具有较少最优(即，较低)轴向刚度值和弯曲刚度值的候选叠层被通过用于进一步分析。换句话说，步骤118被有效地改变，使得最初通过过滤器116这些候选叠层将被筛选，其具有轴向刚度和弯曲刚度较少最优值而不是最高值。这意味着，过滤器120将过滤出具有最高值和最低值的候选叠层，通过具有轴向刚度和弯曲刚度较少最优值的候选叠层。
在任一情况下，对新一批候选叠层重复步骤122、124、126和128。上述流程能够被重复，直到在步骤128中确定一个或更多个候选叠层可接受，在该点处如先前描述设计流程被终止。
图14示出用于采用优化和有限元分析设计复合材料蒙皮桁条结构的流程的步骤。设计流程开始于问题的限定(过程70)。问题限定流程70包含以下步骤：所期望的叠层类型(即，传统层压板、非传统层压板或转向的纤维)和蒙皮厚度的选择(步骤72)；针对给定蒙皮、加载、缺陷/裂纹位置、边界条件以及桁条层片角度的初始蒙皮桁条配置的选择(步骤74)；合适的设计约束(例如，最小/最大轴向刚度桁条、叠层对称与平衡)的选择(步骤76)；以及所期望的叠层类型(即，传统层压板、非传统层压板或转向的纤维)和桁条的厚度(即，固定的或可调节的)的选择(步骤78)。
在问题限定之后，桁条设计被优化以满足桁条从蒙皮分层被抑制(步骤80)的标准以及其它约束。在设计者已选择了候选桁条层片角度(例如，0°/45°/90°层片的相等量)之后，最优化算法细化推测。所提出的流程能够利用本地或全局优化或两者。任何优化方法都能够在本文应用。在候选桁条叠层的优化期间，桁条叠层中的层片角度和厚度被调节以满足设计标准，并改善破坏标准值。
在优化算法已产生最佳优化桁条叠层设计之后，设计者能够手动调节层片角度和厚度以满足不存在于优化流程中的制造要求(离散厚度等)(步骤82)。
接下来，优化并调节的桁条叠层设计是通过计算自由边分层的能量释放速率来检查各层片界面之间的自由边分层(步骤84)。自由边分层的能量释放速率能够使用Davidson自由边分层方法或合适的可替代理论进行计算，如先前所述。
以下自由边分层检查，蒙皮桁条叠层的分层易感性使用虚拟裂纹闭合技术进行检验(步骤86)。虚拟裂纹闭合技术的详细说明已经由Krueger在"Virtualcrackclosuretechnique:History,approach,andapplications,"Appl.Mech.Rev.,Vol.57,No.2,March(2004),pp.109-143(“虚拟裂纹闭合技术：历史、方法和应用，应用力学评论，第57卷，第2期，2004年3月，第109-143页)中提出。虚拟裂纹闭合技术被用于基于来自蒙皮桁条结构的有限元分析所得的结果估算应变能释放速率。该方法基于下面的假设，即，当在蒙皮桁条界面处裂纹延长递增距离时释放的能量等于关闭递增距离端点之间裂纹所要求的能量。
再次参考图14，如果有限元分析检验出蒙皮桁条分层将由候选桁条叠层设计被抑制，那么执行进一步分析，诸如缺口强度、子层压板稳定性、热残余应力和相互渗透。基于这些分析结果，确定候选桁条叠层设计是否可接受(步骤88)。
如果候选桁条叠层可接受，那么分析流程结束。随后，能够使用所述可接受的桁条叠层设计生产桁条。相反，如果在步骤88中确定候选桁条叠层不可接受，那么设计者可对优化问题进行调节，以解释违背的约束条件，例如可变范围和额外限制(步骤90)。然后设计流程返回到步骤80。优化反复执行，直到出现可接受的桁条叠层设计。
以上所公开的蒙皮桁条设计和蒙皮桁条结构的设计方法可应用于飞行器制造和维修方法200(如图15中所示)中，用于组装如图16所示的飞行器202的零件。在预生产期间，示例性方法200可包括飞行器202的规格和设计204(包括，例如为了结合由复合材料制作的机翼和机身的桁条设计)以及材料采购206。在生产期间，飞行器202的部件和子组件制造208以及系统集成210发生。随后，飞行器202可经过认证和交付212，以便投入服役214。然而，在由客户使用中，飞行器202被安排进行常规维护和检修216(其也可包括修改、重置、翻新等)。
方法200的每个流程可由系统集成商、第三方或者操作者(例如，客户)执行或完成。为了本说明书的目的，系统集成商可包括但不限于任意数量的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可包括但不限于任意数量的承包商、分包商和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图16所示，由示例性方法200制造的飞行器202可包括具有多个系统220和内饰222的机身218(其包括，例如，机身、框架、桁条、翼盒等)。高级别系统220的示例包括以下中的一个或更多个：推进系统224、电气系统226、液压系统228和环境控制系统230。也可包括任何数量的其他系统。虽然示出了航空航天的示例，但是本文所公开的原理可被应用于其它工业，如汽车工业。
本文所实施的装置和方法可在图15中所示的示例性方法200的一个或更多个阶段期间使用。例如，在预生产期间，方法200可包括使用上述所公开的设计方法的蒙皮桁条结构的规格和设计204。此外，具有上述所公开的有利性质的蒙皮桁条结构可在部件和子组件制造208过程中被制造。另外，一个或更多个装备实施例、方法实施例或其组合可在生产阶段208和210期间利用，例如通过显著加速飞行器202的组装或减少飞行器202的成本。
此外，本公开包括根据下列条款的实施例：
条款1：具有至少一个凸缘的复合材料构件，所述至少一个凸缘包括复合材料层压板，所述复合材料层压板包括具有自由边的一组复合材料的层片，所述组的所述层片包括以各自层片角度取向的纤维或在层片内以不同角度转向的纤维，所述纤维经布置导致以抑制在所述组的第一层片和复合材料蒙皮的部分的界面处有分层倾向的方式耦合第一和第二变形模式，所述至少一个凸缘粘合到所述复合材料蒙皮的部分同时复合材料蒙皮的部分在垂直于所述至少一个凸缘的所述自由边的方向上被加载。
条款2：根据条款1所述的复合材料构件，其中所述第一变形模式是轴向变形模式并且所述第二变形模式是弯曲变形模式。
条款3：根据条款1所述的复合材料构件，其中所述至少一个凸缘的所述复合材料层压板是非对称和非平衡或平衡的。
条款4：根据条款3所述的复合材料构件，其中所述非对称和非平衡或平衡的复合材料层压板产生，特别是，响应于拉伸或压缩加载的弯曲曲率。
条款5：根据条款1所述的复合材料构件，其中所述组的所述层片中的至少一个层片具有层片角度，该层片角度不等于下列层片角度中的任何一个：0度、±45度和±90度。
条款6：根据条款1所述的复合材料构件，其中所述至少一个凸缘的所述复合材料层压板的每个层片界面具有破坏标准值，该破坏标准值是模式I、Ⅱ和Ⅲ能量释放速率的组合并且小于与自由边分层开始相关的关键破坏标准值。
条款7：一种复合材料结构，其包括第一复合材料层压板和第二复合材料层压板，该第一复合材料层压板包括具有自由边的第一组层片，该第二复合材料层压板包括第二组层片，所述第一和第二复合材料层压板被粘合在邻近所述自由边的界面处，其中所述第一组的所述层片包括以各自层片角度取向的纤维或在层片内以不同角度转向的纤维，所述纤维经布置导致以抑制当所述第二复合材料层压板在垂直于所述自由边方向加载时在所述界面处有分层倾向的方式耦合第一和第二变形模式。
条款8：根据条款7所述的复合材料结构，其中所述第一变形模式是轴向变形模式，并且所述第二变形模式是弯曲变形模式。
条款9：根据条款7所述的复合材料结构，其中所述第一复合材料层压板形成桁条的凸缘，并且所述第二复合材料层压板形成粘合到所述桁条的蒙皮。
条款10：根据条款7所述的复合材料结构，其中所述第一复合材料层压板是非对称和非平衡或平衡的。
条款11：根据条款10所述的复合材料结构，其中所述非对称和非平衡或平衡的复合材料层压板产生，特别是，响应于拉伸或压缩加载的弯曲曲率。
条款12：根据条款7所述的复合材料结构，其中所述第一组的所述层片中的至少一个层片具有层片角度，该层片角度不等于下列层片角度中的任何一个：0度、±45度和±90度。
条款13：根据条款7所述的复合材料结构，其中所述第一复合材料层压板中的每个层片界面具有破坏标准值，该破坏标准值是模式I、Ⅱ和Ⅲ能量释放速率的组合并且小于与自由边分层开始相关的关键破坏标准值。
条款14：一种用于抑制复合材料结构中的界面分层的方法，所述复合材料结构包括第一复合材料层压板和第二复合材料层压板，该第一复合材料层压板包括具有自由边的第一组层片，该第二复合材料层压板包括第二组层片，该第一和第二复合材料层压板被粘合在邻近于自由边的界面上，该方法包括：
限定所述第二复合材料层压板的特性；
限定所述第一复合材料层压板的所期望的特性；
限定所预测的加载和分层位置；
选择概率策略或优化策略；
使用所选择的策略，调节所述第一复合材料层压板的候选叠层的层片角度从而满足所期望的特性；以及
检验所述候选叠层满足所期望的特性，
其中所期望的特性包括抑制在所述第一和第二复合材料层压板的界面处所述第一复合材料层压板的自由边附近的分层，并且
其中所述调节和检验步骤由计算机系统执行。
条款15：根据条款14所述的方法，进一步包括制造满足所期望特性的第一复合材料层压板。
条款16：根据条款14所述的方法，其中所述检验步骤包括计算破坏标准值，该破坏标准值是与在第一和第二复合材料层压板界面处的分层相关联的模式I、II和Ⅲ能量释放速率的组合。
条款17：根据条款14所述的方法，其中所述检验步骤包括计算破坏标准值，该破坏标准值是与在所述第一复合材料层压板的各自层片界面处自由边分层相关联的模式I、II和Ⅲ能量释放速率的组合。
条款18：根据条款14所述的方法，其中当概率策略被选择时，所述调节步骤包括使用概率密度函数生成第一复合材料层压板的随机叠层，并且所述检验步骤包括丢弃随机产生的不满足一个或更多个所期望的特性的叠层。
条款19：根据条款14所述的方法，其中当优化策略被选择时，所述调节步骤包括调节优化问题以说明违反的约束。
条款20：根据条款14所述的方法，进一步包括执行附加分析以进一步筛选幸存候选叠层，所述附加分析包括但不限于以下分析中的一个或更多个：缺口强度、子层压板稳定性、热残余应力和相互渗透。
当复合材料蒙皮桁条结构及其设计方法已经参照各种实施例进行描述时，本领域技术人员将理解，可在不脱离本文教导的范围内作出各种改变并且可用等价物替换其中的元素。此外，可作许多修改来适应概念并且减少实践本文所公开的特殊情况。因此，由权利要求涵盖的本主题不应局限于所公开的实施例。
如权利要求中所使用的，术语“计算机系统”应概括地解释为包含具有至少一台计算机或处理器的系统，并且其可具有通过网络或总线进行通信的多台计算机或处理器。如上句所使用的，术语“计算机”和“处理器”二者指的是用于存储程序的具有处理单元(例如，中央处理单元)和某种形式的存储器(即，计算机可读介质)的设备，所述程序是由所述处理单元可读的。
此外，下文所阐述的方法权利要求不应当被解释为要求本文所列步骤按字母顺序(在权利要求中的任何字母顺序仅用于参考先前所述步骤的目的)，或按他们所列的顺序来执行。也不应将其解释为排除被同时或交替执行的两个或更多个步骤的任何部分。

Claims (10)

1.一种具有至少一个凸缘(10a、10b)的复合材料构件，所述至少一个凸缘(10a、10b)包含复合材料层压板，所述复合材料层压板包括具有自由边(30a、30b)的一组复合材料层片，所述组的所述层片(20、22)包含以各个层片角度取向的纤维或在层片内以不同角度转向的纤维，所述纤维经布置导致以抑制在所述组的第一层片和复合材料蒙皮的部分的界面处有分层倾向的方式耦合第一变形模式和第二变形模式，所述至少一个凸缘(10a、10b)被粘合到所述复合材料蒙皮，同时所述复合材料蒙皮的所述部分在垂直于所述至少一个凸缘(10a、10b)的所述自由边(30a、30b)的方向上被加载。
2.根据权利要求1所述的复合材料构件，其中所述第一变形模式是轴向变形模式并且所述第二变形模式是弯曲变形模式。
3.根据权利要求1所述的复合材料构件，其中所述至少一个凸缘(10a、10b)的所述复合材料层压板是非对称和非平衡或平衡的。
4.根据权利要求3所述的复合材料构件，其中所述非对称和非平衡或平衡的复合材料层压板产生，特别是，响应于拉伸或压缩加载的弯曲曲率。
5.根据权利要求1所述的复合材料构件，其中所述组的所述层片中的至少一个层片具有层片角度，所述层片角度不等于下列层片角度中的任何一个：0度、±45度和±90度。
6.根据权利要求1所述的复合材料构件，其中所述至少一个凸缘(10a、10b)的所述复合材料层压板的每个层片界面具有破坏标准值，所述破坏标准值是模式I、Ⅱ和Ⅲ能量释放速率的组合并且小于与自由边(30a、30b)分层开始相关的关键破坏标准值。
7.一种用于抑制复合材料结构中的界面分层的方法，所述复合材料结构包括第一复合材料层压板和第二复合材料层压板，所述第一复合材料层压板包括具有自由边(30a、30b)的第一组层片，所述第二复合材料层压板包括第二组层片，所述第一复合材料层压板和所述第二复合材料层压板被粘合在邻近于所述自由边(30a、30b)的界面处，所述方法包括：
限定所述第二复合材料层压板的特性；
限定所述第一复合材料层压板的期望的特性；
限定所预测的加载和分层位置；
选择概率策略或优化策略；
使用所述选择的策略，调节所述第一复合材料层压板的候选叠层的层片角度从而满足所述期望的特性；以及
检验所述候选叠层满足所述期望的特性，
其中所述期望的特性包括抑制在所述第一复合材料层压板的所述自由边(30a、30b)附近的所述第一复合材料层压板和第二复合材料层压板的界面处的分层，并且
其中所述调节和检验步骤由计算机系统执行。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括制造满足所述期望的特性的第一复合材料层压板。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述检验步骤包括计算破坏标准值，所述破坏标准值是与在所述第一复合材料层压板和第二复合材料层压板的界面处分层相关联的模式I、II和Ⅲ能量释放速率的组合。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述检验步骤包括计算破坏标准值，所述破坏标准值是与在所述第一复合材料层压板的各层片界面处自由边(30a、30b)分层相关联的模式I、II和Ⅲ能量释放速率的组合。
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