复合材料蒙皮与肋板粘接过程的仿真分析

宫楠

摘 要：对复合材料飞机蒙皮与肋板的粘接过程进行全面的仿真分析，运用有限元软件ANSYS对粘接的应力场、温度场的变化进行全程的仿真模拟。通过模拟仿真，得出有关结论。

关键词：碳纤维复合材料；粘接；有限元

随着复合材料在航空航天各领域的广泛应用，不同复合材料构件之间的粘接过程产生变形问题也变的突出。现代的大型客机的机翼大部分是复合材料在热压罐中一次成型，但一些小的机翼如无人机或者小的试验机比较小，采取二次成型的工艺制作。二次成型时，由已完成的机翼蒙皮和肋板通过环氧树脂粘接而成。在现实生产中发现粘接过程经常出现褶皱变形，严重影响机翼的整体外观和气动特性，所以对复合材料机翼蒙皮和肋板的粘接过程进行仿真并研究其收缩机理具有很高的现实意义。

1 建立实际与物理模型

正如研究工作一般由易至难一样，文章的研究也从简单的结构粘接开始。通过对蒙皮与肋板的合理简化，复合材料机翼上蒙皮与肋板的粘接实际模型如图1所示

2 加载计算

为了更接近真实情况蒙皮与肋板的材料都设置成双线性的本构关系，环氧树脂胶作为热源分两次加载到蒙皮与肋板的粘接處。环境的初始温度设为25℃，热源的温度设定成170°。第一次把上部环氧树脂胶单元杀死，激活下部分环氧树脂胶单元，并对激活的节点施加温度约束并写入载荷步；然后把刚激活的环氧树脂胶单元杀死，激活上部分环氧树脂胶单元，并对激活的节点施加温度约束并写入载荷步。

3 计算结果与分析

给蒙皮两端固支，肋板的上端也固支。可以求出不同时间温度场的变化，如图2-图9。

从图2-图5可以看出，粘接开始时粘接处的温度变化剧烈，随着时间推移粘接处的温度场经历了一个由剧烈变缓和的过程，在粘接接近完成的2500秒时温度场几乎不变。同理，我们得到应力场的变化。

从图6-图9可以看出粘接处的应力的变化情况。粘接处的应力也是从大到小的变化过程，然后随着时间的推移粘接处应力逐渐减少，并慢慢被释放，在2500秒的时候，只有粘接处还存在少量的残余应力。

4 结束语

文章基于ANSYS软件的对复合材料蒙皮与肋板T型粘接进行模拟。通过文章的研究，得出如下结论：

4.1 文章所用仿真方法在一定范围内能比较准确的模拟出T型粘接粘接处温度场、应力场和变形的变化。

4.2 文章所应用的仿真方法虽然讨论的是T型粘接，但是该方法可以扩展解决真实的机翼粘接残余应力过大的问题，具有很高的现实意义。

4.3 仿真结果表明粘接的褶皱变形、残余内应力产生的时间出现在粘接过程的高速降温阶段这一重要结论，针对这段时间粘接反复试验提高工艺水平必然可以显著提高粘接构件的质量。