復合材料蒙皮與肋板粘接過程的仿真分析

宮楠

摘 要：對復合材料飛機蒙皮與肋板的粘接過程進行全面的仿真分析，運用有限元軟件ANSYS對粘接的應力場、溫度場的變化進行全程的仿真模擬。通過模擬仿真，得出有關結論。

關鍵詞：碳纖維復合材料；粘接；有限元

隨著復合材料在航空航天各領域的廣泛應用，不同復合材料構件之間的粘接過程產生變形問題也變的突出。現代的大型客機的機翼大部分是復合材料在熱壓罐中一次成型，但一些小的機翼如無人機或者小的試驗機比較小，采取二次成型的工藝制作。二次成型時，由已完成的機翼蒙皮和肋板通過環氧樹脂粘接而成。在現實生產中發現粘接過程經常出現褶皺變形，嚴重影響機翼的整體外觀和氣動特性，所以對復合材料機翼蒙皮和肋板的粘接過程進行仿真并研究其收縮機理具有很高的現實意義。

1 建立實際與物理模型

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構粘接開始。通過對蒙皮與肋板的合理簡化，復合材料機翼上蒙皮與肋板的粘接實際模型如圖1所示

2 加載計算

為了更接近真實情況蒙皮與肋板的材料都設置成雙線性的本構關系，環氧樹脂膠作為熱源分兩次加載到蒙皮與肋板的粘接處。環境的初始溫度設為25℃，熱源的溫度設定成170°。第一次把上部環氧樹脂膠單元殺死，激活下部分環氧樹脂膠單元，并對激活的節點施加溫度約束并寫入載荷步；然后把剛激活的環氧樹脂膠單元殺死，激活上部分環氧樹脂膠單元，并對激活的節點施加溫度約束并寫入載荷步。

3 計算結果與分析

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，粘接開始時粘接處的溫度變化劇烈，隨著時間推移粘接處的溫度場經歷了一個由劇烈變緩和的過程，在粘接接近完成的2500秒時溫度場幾乎不變。同理，我們得到應力場的變化。

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

4 結束語

文章基于ANSYS軟件的對復合材料蒙皮與肋板T型粘接進行模擬。通過文章的研究，得出如下結論：

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

4.2 文章所應用的仿真方法雖然討論的是T型粘接，但是該方法可以擴展解決真實的機翼粘接殘余應力過大的問題，具有很高的現實意義。

4.3 仿真結果表明粘接的褶皺變形、殘余內應力產生的時間出現在粘接過程的高速降溫階段這一重要結論，針對這段時間粘接反復試驗提高工藝水平必然可以顯著提高粘接構件的質量。