结构设计-制造一体化分析
复合材料结构设计-设计制造一体化
结构设计-制造一体化分析
复合材料结构设计-非确定性方法
❖确定性设计方法保守性
最严重载荷×安全系数 最严重情况的温度 最严重吸湿 最严重的未检测的损伤 保守的统计准则推导材料许用值
复合材料结构设计-非确定性方法
层合板压缩强度的确定
15,000 Tests
18 months-2 years << $ Millions
Material Invariants, Full Scale
1,500 Tests
复合材料结构设计-设计制造一体化
•Heat transfer/Autoclave
•Thermal expansion/resin cure shrinkage
复合材料结构设计-设计流程
复合材料高效设计方法－材料快速应用
复合材料结构设计-设计流程
高效复合材料设计－并行思想
复合材料结构设计-设计流程
复合材料高效设计－设计、分析、制造和效益一体化
复合材料结构设计-性能预测
应变不变量失效理论（SIFT）
❖ 根据材料基本性能预测复杂结构的承载能力 ❖ 建立树脂、纤维和复合材料性能之间的联系 ❖ 便于考虑环境因素的影响 ❖ 减少相关的耐久性试验条目和数目
最小厚度（mm）
复合材料结构设计-性能预测
效益对比
Building Block Approach
Certification by Analysis
Time
6-8years
Cost
>>$ Millions
Tests Quantity
Material Laminates, Subcomponents, Components, Full Scale
复杂结构的三维有限元模型结合基于应变的失效理论
铺层角
材料
几何构型
应变不变量参数 失效预测
复合材料结构设计-性能预测
SIFT应用步骤
热载荷和机械载 荷产生的三维宏
观应变
纤维和树脂不 同位置的三维
微观应变
+
纤维和树脂热 不匹配引起的 微观热应变
纤维和树脂的 应变不变量
应变不变量临界值
复合材料结构设计-性能预测
1001 lb 897-1105 lb
48 lb 32-98 lb
869 lb
内容
复合材料设计技术
结构设计流程再造 结构性能预测 结构设计-制造一体化 不确定性能方法应用
复合材料损伤容限技术
Airbus损伤容限技术 Boeing损伤容限技术 技术展望
复合材料损伤容限问题
❖复合材料损伤容限
压溃点
1st 分层
2nd 分层
复合材料结构设计-性能预测
传统毯式曲线
载荷
N1=1MPa-m N2=0 N6=0
不同铺层比层合板失效应力
失效应力（MPa）
复合材料结构设计-性能预测
主要曲线: 静强度曲线耐久性曲线 疲劳曲线
不加入任何 经验参数
结构耐久性 疲劳寿命剩
余强度
输出（毯式图）
层合板逐渐 损伤分析
复合材料结构设计技术进展
❖复合材料结构高效设计和性能预测方法
应用现代计算和协同管理技术－高效率 计算机，数据库和网络
基于物理模型－准确性 破坏机理、破坏模式及控制因素
考虑材料细观性能及工艺因素－全面性 组分材料、界面特性、缺陷、残余应力等
误差分析控制－可靠性 模型简化、多种破坏模式、材料性能和工艺稳定性
1.压强载荷（RTD） N1=2MPa-m t=20年 N2=1MPa-m N6=0MPa-m 2.着陆载荷（40°，0.5%） N1=-2MPa-m t=50000min N2=0 MPa-m Nf=50000cycles N6=0MPa-m 3.阵风（RTD） N1=4MPa-m t=100min N2=1MPa-m Nf=100cycles N6=0 MPa-m
复合材料内部结构复杂应力状态的确定 与载荷历程相关的损伤机理 工艺过程中产生的残余应力问题 确定复合材料损伤机理及相应失效准则
复合材料结构设计技术进展
❖2001年美国开展的《Accelerated Insertion of Materials》计划主要工作包括：
建立基于物理模型的损伤判据，构建多尺度分析 和计算模型
可检查性 影响结构性能的损伤 损伤容限性能好的材料不一定损伤阻抗性能好
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
冲击损伤容限问题-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
复合材料结构设计-非确定性方法
试验结果与模拟结果对比
复合材料结构设计-非确定性方法
模拟分析与试验结果的对比
均值 均值的95%置信区间
模拟结果 （100个数据）
1012 lb
1003-1021 lb
方差 方差的95%置信区间
44.5 lb 39-52 lb
B-基准值
944 lb
试验结果 （8个数据）
应变不变量计算
获取应变放大系数的位置点
计算应变不变量：
基体： J1 1 2 3
m eqv
1 2
(1 2 )2 (2 3 )2 (1 3 )2
纤维：
f eqv
1 2
(1 2 )2 (2 3 )2 (1 3 )2
复合材料结构设计-性能预测
SIFT-应用
载荷点
三点弯测试试验
载荷施加 0 9o0o0o 90o0o
Damage tolerance for structural parts is a measure of the ability of such a part to maintain functionality, sufficient residual strength and stiffness, with damage for required loadings. This concept of combining an inspection plan with knowledge of damage threats, damage growth rates and residual strength is referred to as “damage tolerance”.
最严重条件
压缩强度分布 B-基准值
+
+
+
+ ...
过去
材料
温度
吸湿
损伤
B-基准值
现状
+
+
+
+ ...
材料
温度
吸湿
损伤
B-基准值
将来
+
+
+
+ ...
材料
温度
吸湿
损伤 better
复合材料结构非确定性设计分析方法 确定性方法中的问题：
复合材料结构设计-非确定性方法
T型接头承载能力计算
接头示意图
接头几何参数
最终失效
层合板刚度 初始损伤
多轴静载对应不同铺层比层合板的最小厚度
载荷 N1=2MPa-m N2=-1MPa-m N6=0
最小厚度（mm）
输入
单层板强度 单层板性能
环境因素 （温度等）
应变不变量 参数
纤维和树脂 性能
应用SIFT方法获取多轴载荷毯式曲线
复合材料结构设计-性能预测
毯式曲线应用
多重载荷下的不同铺层比层合板最小厚度
内容
复合材料设计技术
结构设计流程再造 结构性能预测 结构设计-制造一体化 不确定性能方法应用
复合材料损伤容限技术
Airbus损伤容限技术 Boeing损伤容限技术 技术展望
复合材料结构设计技术进展
用量发展情况
60%
50%
Composite Usage
40%
30%
20%
10%
0%
1970
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-AIRBUS
损伤容限技术-BOEING
损伤容限技术-BOEING
characteristics
•Stress development/Tool-part interaction
•Tool and part temperature
•Final part shape
•Resin cure kinetics
•Resin viscosity/Resin flow
•Fibre volume fraction/Part thickness
1980
1990
2000
2010
复合材料结构设计技术进展
❖先进复合材料结构设计技术发展
复合材料力学性能深入认识 复合材料设计使用经验积累 现代计算和试验技术发展 适航要求提高
❖先进分析、设计理念和流程
复合材料结构设计技术进展
❖ 1996年美国五个专业委员会提出的《用于下一 代民用运输机的新材料》报告，强调复合材料 力学行为预测的困难：
损伤容限技术-BOEING
损伤容限技术-BOEING
损伤容限技术-BOEING
损伤容限技术-BOEING