飛行器複合材料吸能結構破壞機理研究

《飛行器複合材料吸能結構破壞機理研究》是依託湖南大學，由任毅如擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：飛行器複合材料吸能結構破壞機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：任毅如
• 依託單位：湖南大學

中文摘要

以提高飛行器緊急迫降過程中的乘員安全為目的，圍繞複合材料吸能結構設計中的關鍵科學問題，採用數值和理論相結合的方法，對飛行器複合材料吸能結構破壞模型和破壞機理進行研究。首先深入研究包括等效彈塑性材料模型、纖維/基體兩相材料模型和粘聚區模型等在內典型複合材料結構破壞模型，探討複合材料曲梁、單殼、多殼和實體有限元模型的優缺點及其在複合材料吸能結構中的套用方法，提出能夠準確預測波紋梁、薄壁管件、板殼結構和複合材料曲梁等結構衝擊動力學特性的破壞模型；在此基礎上，分析纖維/基體材料參數、鋪層方法、幾何尺寸和觸發等對吸能部件結構破壞機理的影響；然後建立包括底部結構、加強框、撐桿和蒙皮等在內的典型飛行器部件結構有限元模型，揭示它們在複雜衝擊載荷環境下的破壞機理；最後提出一套考慮隨機因素影響的飛行器複合材料吸能結構設計理論與方法，並採用不確定性分析方法深入研究飛行器在地面和水面等緊急迫降情況下的破壞機理。

結題摘要

為了改善飛行器在緊急迫降過程中的安全性，圍繞飛行器結構設計理論與方法開展研究。主要研究內容包括飛行器和航空座椅的衝擊動力學特性，複合材料吸能結構破壞機理、多尺度力學與結構設計等。首先提出了飛行器衝擊動力學設計理論與方法，揭示出水上迫降過程中蒙皮能吸收衝擊動能的機理。為了改善飛行器的耐撞性能，提出採用波紋梁結構作為機身底部結構的方案，能夠耗散衝擊動能並降低初始載荷峰值。提出了採用波紋梁和鉸接結構作為支撐結構，使波紋梁結構承受軸向衝擊載荷來改善耐撞性能。提出了一種具有階梯管的新型吸能結構型式，在軸向衝擊過程中，金屬階梯管具有初始載荷峰值小，衝擊載荷穩定的特點。然後首次提出了航空座椅適墜性設計理論與方法並研究了典型航空座椅適墜性。最後對複合材料吸能結構及其多尺度模型進行了深入研究。基於連續介質力學模型，採用Hashin失效準則建立了飛行器複合材料機身框結構的損傷破壞模型，揭示了編織複合材料機身框結構的衝擊動力學特性，並提出了可靠性與靈敏度分析理論與方法。為了實現對複合材料衝擊損傷過程的準確預測，提出了單殼、多殼和連續損傷力學的多種虛擬測試方法，表明連續損傷力學模型具有極高的預測能力。同時考慮層內和層間失效破壞，建立了準確的複合材料多層結構損傷破壞模型，對纖維斷裂、基體開裂、剪下和裂紋等典型損傷破壞模式實現準確預測。提出了多種複合材料波紋梁的觸髮結構型式，大大提高了吸能結構的衝擊動力學特性。對玻纖/鋁合金混合錐形管的準靜態衝擊動力學特性進行了研究，揭示了鋁合金和玻纖的基體、纖維和分層失效模式。提出了一種編織複合材料多尺度力學分析方法，揭示出了軸向和橫向拉伸情況下的纖維、基體等破壞模式。提出的拓撲最佳化設計方法能夠處理任意截面任意材料的複合材料梁設計問題，推導了功能梯度梁和納米管的動力學特性，揭示了應變梯度和多孔材料密度對納米管動力學特性的影響。該項目的研究成果豐富了複合材料力學的理論體系，為複合材料損傷破壞與結構設計提供了理論支撐，相關成果在航空航天等領域具有廣闊的套用前景。