宮楠

摘 要：對復(fù)合材料飛機(jī)蒙皮與肋板的粘接過程進(jìn)行全面的仿真分析，運(yùn)用有限元軟件ANSYS對粘接的應(yīng)力場、溫度場的變化進(jìn)行全程的仿真模擬。通過模擬仿真，得出有關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；粘接；有限元

隨著復(fù)合材料在航空航天各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不同復(fù)合材料構(gòu)件之間的粘接過程產(chǎn)生變形問題也變的突出?，F(xiàn)代的大型客機(jī)的機(jī)翼大部分是復(fù)合材料在熱壓罐中一次成型，但一些小的機(jī)翼如無人機(jī)或者小的試驗(yàn)機(jī)比較小，采取二次成型的工藝制作。二次成型時(shí)，由已完成的機(jī)翼蒙皮和肋板通過環(huán)氧樹脂粘接而成。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)粘接過程經(jīng)常出現(xiàn)褶皺變形，嚴(yán)重影響機(jī)翼的整體外觀和氣動特性，所以對復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮和肋板的粘接過程進(jìn)行仿真并研究其收縮機(jī)理具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。

1 建立實(shí)際與物理模型

正如研究工作一般由易至難一樣，文章的研究也從簡單的結(jié)構(gòu)粘接開始。通過對蒙皮與肋板的合理簡化，復(fù)合材料機(jī)翼上蒙皮與肋板的粘接實(shí)際模型如圖1所示

2 加載計(jì)算

為了更接近真實(shí)情況蒙皮與肋板的材料都設(shè)置成雙線性的本構(gòu)關(guān)系，環(huán)氧樹脂膠作為熱源分兩次加載到蒙皮與肋板的粘接處。環(huán)境的初始溫度設(shè)為25℃，熱源的溫度設(shè)定成170°。第一次把上部環(huán)氧樹脂膠單元?dú)⑺?，激活下部分環(huán)氧樹脂膠單元，并對激活的節(jié)點(diǎn)施加溫度約束并寫入載荷步；然后把剛激活的環(huán)氧樹脂膠單元?dú)⑺溃せ钌喜糠汁h(huán)氧樹脂膠單元，并對激活的節(jié)點(diǎn)施加溫度約束并寫入載荷步。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

給蒙皮兩端固支，肋板的上端也固支。可以求出不同時(shí)間溫度場的變化，如圖2-圖9。

從圖2-圖5可以看出，粘接開始時(shí)粘接處的溫度變化劇烈，隨著時(shí)間推移粘接處的溫度場經(jīng)歷了一個(gè)由劇烈變緩和的過程，在粘接接近完成的2500秒時(shí)溫度場幾乎不變。同理，我們得到應(yīng)力場的變化。

從圖6-圖9可以看出粘接處的應(yīng)力的變化情況。粘接處的應(yīng)力也是從大到小的變化過程，然后隨著時(shí)間的推移粘接處應(yīng)力逐漸減少，并慢慢被釋放，在2500秒的時(shí)候，只有粘接處還存在少量的殘余應(yīng)力。

4 結(jié)束語

文章基于ANSYS軟件的對復(fù)合材料蒙皮與肋板T型粘接進(jìn)行模擬。通過文章的研究，得出如下結(jié)論：

4.1 文章所用仿真方法在一定范圍內(nèi)能比較準(zhǔn)確的模擬出T型粘接粘接處溫度場、應(yīng)力場和變形的變化。

4.2 文章所應(yīng)用的仿真方法雖然討論的是T型粘接，但是該方法可以擴(kuò)展解決真實(shí)的機(jī)翼粘接殘余應(yīng)力過大的問題，具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。

4.3 仿真結(jié)果表明粘接的褶皺變形、殘余內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的時(shí)間出現(xiàn)在粘接過程的高速降溫階段這一重要結(jié)論，針對這段時(shí)間粘接反復(fù)試驗(yàn)提高工藝水平必然可以顯著提高粘接構(gòu)件的質(zhì)量。