复合材料防冰功能单元热/力学特性研究

• 作 者: 吴宇楠
• 出 处: 南京航空航天大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 复合材料 电热防冰结构 热/力学特性 温度场 热应力

随着复合材料在飞机设计工程中用量的逐渐增大,复合材料部件的防冰问题受到关注。采用内嵌电加热元件的复合材料电热防冰结构是解决复合材料防冰的有效手段。防冰系统工作时,电加热元件发热会在复合材料中产生较大的温度梯度,从而对各层材料的热/力学特性产生影响。本文采用数值模拟与试验相结合的方法,对复合材料防冰功能单元的热/力学特性展开初步探究,主要内容包括:(1)简要介绍了国内外飞机防冰技术和复合材料层合结构热/力学特性的研究现状,指出本文工作开展的必要性;(2)选取ARJ-21飞机前缘缝翼上一段作为功能单元计算模型,运用防冰热载荷计算方法对其电加热热流密度展开了设计,为电热层加热元件结构的设计提供了依据;(3)基于数值模拟方法,对内嵌电加热元件的复合材料电热防冰结构展开了设计,使其满足飞机强度设计要求。构建了复合材料电加热平板结构,就电热层金属薄膜排布方式对结构温度场和热应力分布的影响进行了探究。结果表明:金属薄膜间隙增大,防冰表面间隙对应区域温度降低,电热层间隙附近应力较远离间隙处低。基于功能单元电加热热流密度设计结果,对复合材料防冰功能单元的温度场和热应力分布完成了数值模拟。结果表明:采用本文设计的热流密度及电加热结构对功能单元进行防冰,满足防冰要求;(4)对本文设计的复合材料防冰功能单元开展了热/力试验,探究载荷作用下,功能单元试验件性能的变化情况。结果表明:疲劳载荷幅值取单轴拉伸破坏载荷的30%进行试验时,试验件不发生功能失效;取60%和73%进行试验时,试验件均发生了功能失效。且由于热喷涂工艺的特殊性,电热层金属薄膜为不连续相,不存在完全弹性阶段,载荷作用以后电阻无法恢复至初始值。