CN106769533A - 一种复合材料隔框结构四点弯曲试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,用于研究不同隔框结构形式及不同长桁鼠洞形状对隔框结构应力应变分布及承载能力的影响,及评定结构承受BVID损伤的能力,验证结构剩余强度,所述复合材料隔框结构四点弯曲试验方法包括1:选取试验件、2:设计加载方案和3:加载试验。本发明的复合材料隔框结构四点弯曲试验方法可为我国在研及在役民用飞机机身复合材料隔框结构的研制提供技术支撑,降低结构重量,提升飞机性能,降低使用维护成本,提高经济效益。
Description
技术领域
本发明属于飞机复合材料试验技术领域,尤其涉及一种复合材料隔框结构四点弯曲试验方法。
背景技术
众所周知,在飞机设计中,复合材料以其比刚度/比强度高、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能,越来越广泛的应用于飞机结构中。复合材料可有效降低飞机结构重量,提高飞机商用载荷;或者增加燃油量,提高飞机航程。另一方面,复合材料的应用可减少飞机结构检查次数,提高检查间隔,降低飞机维护成本,从而从根本上提高民用飞机在整个寿命服役期内的经济效益。
国外先进民用飞机如空客A350及波音B787等飞机,其复合材料用量已占飞机结构重量的50%以上,部位包括机身、机翼、尾翼蒙皮,机身隔框、地板梁、地板支柱、舷窗口框,机翼翼梁、翼肋等结构。伴随着型号研制,已经形成了一套完整的飞机复合材料结构设计、制造及试验验证的方法及流程。
国内目前在役的ARJ21及一些飞机结构中,90%以上都是铝合金,复合材料用量极少,且均应用在次承力结构中,尚无飞机主承力结构应用复合材料的经验,更缺乏复材结构设计分析制造及验证的方法。因此,开展复合材料在民机结构中的应用技术研究,是提高我国民用飞机性能及市场竞争力的重要手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,解决目前的飞机复合材料隔框结构无验证方法的问题。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,用于研究不同隔框结构形式及不同长桁鼠洞形状对隔框结 构应力应变分布及承载能力的影响,及评定结构承受BVID损伤的能力,验证结构剩余强度,其特征在于,所述复合材料隔框结构四点弯曲试验方法包括
S01:选取试验件
所述试验件选取自机身隔框典型部位,用于考核不同结构形式及长桁鼠洞开口形状对试验件承载能力的影响,设计多种隔框试验件;
S02:设计加载方案
试验方案为四点弯曲试验,用于考核试验件在弯矩作用下的应力应变分布及承载能力,由于试验件浮框上缘条及剪切带下缘条不在同一个平面内,加载时会在试验件横截面内产生附加弯矩,采用特殊的试验夹具;
S03:加载试验
对所述试验件依次进行不同的损伤试验项目,直至所述试验件加载破坏。
进一步地,试验件选取自机身隔框典型部位,为考核不同结构形式及长桁鼠洞开口形状对试验件承载能力的影响,设计两组隔框试验件;试验件的不同之处是第一组试验件为组合件,浮框与剪切带之间采用螺栓连接,另一组试验件为整体件,结构一次性铺贴与固化成形。第一组试验件长桁鼠洞形状不同,第二组试验件长桁鼠洞形状与第一组试验件中某个试验件相同,试验件均材料为CF3052/BA9916-Ⅱ。
进一步地,所述试验项目包括试验一:无损伤试验件静力试验、试验二:在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的静力试验、试验三:在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的耐久性试验、试验四:在上缘条上引入BVID损伤的静力试验和试验五:在上缘条上引入BVID损伤的耐久性试验。
进一步地,所述试验一:无损伤试验件静力试验的试验过程为
1.1)使用载荷静力试验;
1.2)设计载荷静力试验;
1.3)120%设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
1.4)加载至试验件破坏或无法承载。
进一步地,所述试验二:在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的静力试验的试验过程为
2.1)在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
2.2)使用载荷静力试验;
2.3)设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
2.4)加载至试验件破坏或无法承载。
进一步地,所述试验三:在上缘条上引入BVID损伤的静力试验的试验过程为
3.1)在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
3.2)使用载荷静力试验;
3.3)设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测。
3.4)加载至试验件破坏或无法承载。
进一步地,所述试验四:在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的耐久性试验的试验过程为
4.1)在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
4.2)1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
4.3)1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
4.4)120%设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
4.5)加载至试验件破坏或无法承载。
进一步地,所述试验五:在上缘条上引入BVID损伤的耐久性试验的试验过程为
5.1)在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检 测;
5.2)1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
5.3)1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
5.4)120%设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
5.5)加载至试验件破坏或无法承载。
本发明的复合材料隔框结构四点弯曲试验方法可为我国在研及在役民用飞机机身复合材料隔框结构的研制提供技术支撑,降低结构重量,提升飞机性能,降低使用维护成本,提高经济效益。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一实施例中两者不同试验件构型示意图,
图2中的(a)(b)(c)附图分别为本发明一实施例中1~3号试验件长桁鼠洞形状及尺寸示意图,
图3为本发明一实施例中试验件支持及加载方案示意图,
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中,自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造型劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
一、试验目的
(1)来自于有限元中的应变预测与应变片读数之间的校对;
(2)确认隔框结构分析方法;
(3)研究不同隔框结构形式及不同长桁鼠洞形状对隔框结构应力应变分布及承载能力的影响;
(4)评定结构承受BVID损伤的能力,验证结构剩余强度。
二、试验概述
试验件是依据复合材料机身结构方案,选取典型隔框形式及长桁鼠洞开口形状所设计。试验所施加的载荷取自有限元分析模型中的极限载荷,试验加载方式为四点弯曲,模拟机身隔框承受的因座舱增压而引起的机身蒙皮壁板的弯矩。试验件采用损伤容限设计思想,在试验前需在典型部位预置冲击损伤,用来模拟该结构在制造、使用及维护过程中可能遇到的外来冲击。冲击完成后对试验件进行2倍寿命的耐久性试验,并检查损伤是否扩展,最后再对试验件施加极限载荷,考核结构的剩余强度。
三、试验件
试验件选取自机身隔框典型部位,为考核不同结构形式及长桁鼠洞开口形状对试验件承载能力的影响,设计两组共4种隔框试验件。试验件基本构型见附图1,左侧附图为第一组试验件(三件,编号1~3)、右侧附图为第二组试验件(一件,编号4号),不同之处在于1~3号试验件为组合件,浮框与剪切带之间采用螺栓连接,4号件为整体件,结构一次性铺贴与固化成形。1~3号试验件长桁鼠洞形状不同,详见附图2所示,附图2中的(a)(b)(c) 三图分别为1、2、3号试验件长珩鼠洞形状示意图,而4号试验件长桁鼠洞形状与1号试验件相同,试验件材料均为CF3052/BA9916-Ⅱ。
四、加载方案
本试验为四点弯试验,考核隔框试验件在弯矩作用下的应力应变分布及承载能力。由于试验件浮框上缘条及剪切带下缘条不在同一个平面内,加载时会在试验件横截面内产生附加弯矩。为抵消这一附加弯矩,采用特殊设计的试验夹具,示意图见附图3。
五、试验步骤
(1)无损伤试验件静力试验
a.使用载荷静力试验;
b.设计载荷静力试验;
c.120%设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
d.加载至试验件破坏或无法承载。
(2)在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的静力试验
a.在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
b.使用载荷静力试验;
c.设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
d.加载至试验件破坏或无法承载。
(3)在上缘条上引入BVID损伤的静力试验
a.在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
b.使用载荷静力试验;
c.设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测。
d.加载至试验件破坏或无法承载。
(4)在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的耐久性试验
a.在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检 测;
b.1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
c.1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
d.120%设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
e.加载至试验件破坏或无法承载。
(5)在上缘条上引入BVID损伤的耐久性试验
a.在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
b.1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
c.1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
d.120%设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
e.加载至试验件破坏或无法承载。
本发明可为我国在研及在役民用飞机机身复合材料隔框结构的研制提供技术支撑,降低结构重量,提升飞机性能,降低使用维护成本,提高经济效。本发明已应用于某复合材料民用飞机项目研制中,完成隔框结构设计分析及制造,并通过零件级及部段级的试验考核验证。
以上所述,仅为本发明的最优具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,用于研究不同隔框结构形式及不同长桁鼠洞形状对隔框结构应力应变分布及承载能力的影响,及用于评定结构承受BVID损伤的能力、验证结构剩余强度,其特征在于,所述复合材料隔框结构四点弯曲试验方法包括
S01:选取试验件
所述试验件选取自机身隔框典型部位,用于考核不同结构形式及长桁鼠洞开口形状对试验件承载能力的影响,设计多种隔框试验件;
S02:设计加载方案
试验方案为四点弯曲试验,用于考核试验件在弯矩作用下的应力应变分布及承载能力,由于试验件浮框上缘条及剪切带下缘条不在同一个平面内,加载时会在试验件横截面内产生附加弯矩,采用特殊的试验夹具;
S03:加载试验
对所述试验件依次进行不同的损伤试验项目,直至所述试验件加载破坏。
2.根据权利要求1所述的复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,其特征在于,试验件选取自机身隔框典型部位,用于考核不同结构形式及长桁鼠洞开口形状对试验件承载能力的影响,设计两组隔框试验件;
试验件的不同之处是第一组试验件为组合件,浮框与剪切带之间采用螺栓连接,另一组试验件为整体件,结构一次性铺贴与固化成形。第一组试验件长桁鼠洞形状不同,第二组试验件长桁鼠洞形状与第一组试验件中某个试验件相同,试验件均材料为CF3052/BA9916-Ⅱ。
3.根据权利要求1所述的复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,其特征在于,所述试验项目包括试验一:无损伤试验件静力试验、试验二:在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的静力试验、试验三:在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的耐久性试验、试验四:在上缘条上引入BVID损伤的静力试验和试验五:在上缘条上引入BVID损伤的耐久性试验。
4.根据权利要求3所述的复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,其特征在于,所述试验一:无损伤试验件静力试验的试验过程为
1.1)使用载荷静力试验;
1.2)设计载荷静力试验;
1.3)120%设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
1.4)加载至试验件破坏或无法承载。
5.根据权利要求3所述的复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,其特征在于,所述试验二:在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的静力试验的试验过程为
2.1)在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
2.2)使用载荷静力试验;
2.3)设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
2.4)加载至试验件破坏或无法承载。
6.根据权利要求3所述的复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,其特征在于,所述试验三:在上缘条上引入BVID损伤的静力试验的试验过程为
3.1)在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
3.2)使用载荷静力试验;
3.3)设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测。
3.4)加载至试验件破坏或无法承载。
7.根据权利要求3所述的复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,其特征在于,所述试验四:在长桁鼠洞附近引入BVID损伤的耐久性试验的试验过程为
4.1)在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
4.2)1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
4.3)1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
4.4)120%设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
4.5)加载至试验件破坏或无法承载。
8.根据权利要求3所述的复合材料隔框结构四点弯曲试验方法,其特征在于,所述试验五:在上缘条上引入BVID损伤的耐久性试验的试验过程为
5.1)在预定位置对试验件引入BVID损伤,完成后对试验件进行无损检测;
5.2)1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
5.3)1倍寿命的耐久性试验,施加50%设计载荷下的等幅谱,完成后对试验件进行无损检测;
5.4)120%设计载荷静力试验,完成后对试验件进行无损检测;
5.5)加载至试验件破坏或无法承载。
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