含损缝合复合材料加筋壁板后屈曲分析方法研究及优化设计

Stiffened composite panels have a high post-buckling strength capacity, and it is needed for a reasonable use in composite structure design. In the process of manufacture, transport, use, and maintenance, various damages may be occurred in composite materials, and the performance of composite structure containing damage is the key point of damage tolerance design. The damage propagation and failure mechanism of stitched composite stiffened panels containing damage (SCSPD) in the stage of post-buckling will be investigated in this project. Microscopic tests are designed according to different damage modes in the process of post-buckling, and the failure model of damage initiation and propagation is built. Considering multiple damage modes, such as the fracture of stitches, debonding between skin and ribs, the damage of fibre and matrix, the global-local methods of analyzing post-buckling load-carrying capacities of SCSPD will be studied. Based on the design requirements of different damage modes and post-buckling load-carrying capacity, the fast optimal design method of SSCPD is investigated. The project will develop an optimal design system of SCSPD to provide fast and reliable methods for damage tolerance design of composite structures, which will save design time and reduce design cost.

复合材料加筋壁板表现出优异的后屈曲性能，设计中考虑后屈曲承载能力，可以提高结构的使用效率。复合材料在加工、运输、使用和维护过程中会产生各种损伤，研究含损复合材料的性能是损伤容限设计的关键。本项目以含损缝合复合材料加筋壁板为对象，研究在压缩载荷作用下加筋壁板后屈曲阶段损伤扩展和破坏的机理，根据后屈曲过程中发生的各种损伤形式，设计细观试验，建立损伤产生和扩展的失效模型；考虑缝线的断裂、蒙皮-筋条的脱粘、纤维基体损伤和分层等多种损伤类型，研究含损缝合复合材料加筋壁板后屈曲承载能力的整体-局部分析方法；根据制造缺陷、许用损伤限制、临界损伤门槛和离散源损伤等状态下的设计要求，在考虑后屈曲承载能力的基础上，研究含损缝合复合材料加筋壁板的损伤容限设计方法。本项目的研究将开发含损缝合复合材料加筋壁板优化设计系统，为复合材料损伤容限设计提供快速可靠的设计方法，从而加快设计流程，降低设计成本。

复合材料加筋壁板由于蒙皮和筋条之间通过胶接或者共固化成型，蒙皮与筋条之间的载荷传递仅仅借助胶层或基体，因此加筋壁板在承受压缩或剪切载荷时，容易发生蒙皮-筋条脱粘现象，缝合技术使用抗拉纱线将很多铺层缝合起来，使复合材料在垂直于铺层平面的方向得到增强。研究缝合复合材料加筋壁板的后屈曲承载能力对提高结构的承载能力，充分发挥复合材料的应用潜力具有较大意义。本项目组针对缝合复合材料加筋壁板的后屈曲承载能力进行了一系列的工作。针对缝合和未缝合的复合材料拉伸试件和剪切试件进行试验，采用高速摄像和XTDIC三维光学散斑系统对连接区域进行重点观测，得到了损伤发生和扩展的全过程。通过试验得到了缝合共固化材料界面基本力学性能和失效机理，结合有限元数值方法建立了胶接界面的失效模型和失效准则；对含损和无损复合材料加筋壁板进行后屈曲承载能力试验，并研究了试验夹具的支持系数，试验结果表明，复合材料加筋壁板具有较为明显的后屈曲历程，但是损伤会在一定程度上降低结构的后屈曲承载能力；对常规复合材料加筋壁板和缝合复合材料加筋壁板进行了后屈曲承载能力仿真分析，并与试验结果进行了对比分析，结果表明，仿真结果与试验结果具有相当的准确性，说明项目组提出的建模方法和失效准则可用于缝合复合材料加筋壁板后屈曲承载能力的预测；研究了损伤位置、不同缝纫参数等因素对含损缝合复合材料加筋壁板的影响；采用ABAQUS的Python脚本语言对缝合复合材料加筋壁板进行了参数化建模，实现了含损缝合复合材料加筋壁板的自动化建模；基于二级优化方法和Kriging近似模型，对工字型加筋壁板进行了优化设计，实现了基于后屈曲承载能力的缝合复合材料加筋壁板的优化设计，达到充分发挥复合材料应用潜力的目的。本研究对含损缝合复合材料加筋壁板的应用提供了理论基础，为工程生产和安全应用提供理论指导，具有重要的理论研究价值和广泛的应用前景。