复合材料加筋壁板轴压屈曲稳定性研究

复合材料加筋壁板轴压承载能力试验研究根据真实飞机结构确定了加筋壁板试验件构型及试验构型。

采用固支方式引入轴压载荷，逐级加载直至试验件破坏。

对试验结果进行了分析，试验结果表明结构具有很强的后屈曲承载能力，需要在结构设计中充分考虑以减轻结构重量。

标签：复合材料；加筋壁板；轴压稳定性；U型筋条引言复合材料由于其比强度高、比模量高、材料可设计性强等一系列优点在飞行器结构的应用中得到了迅猛发展，应用已从次承力结构发展到机身、机翼、安定面等主承力结构。

对于复合材料加筋壁板结构，国内外均进行了大量的剪切承载能力试验，但由于实际应用部位、结构特点等各不相同，导致在试验件构型、夹持方法等试验上的细节设计也是各有差异。

到目前为止，也没有专门针对其中某一项参数进行过对比试验，因此，试验的设计没有一个统一标准，每次试验都是根据其规模、经费等因素决定试验方案，这样的试验其结果的可信性也无法评判。

鉴于此，亟需一种相对统一的试验方法，以确保试验结果的准确性和可靠性。

1 试验构型1.1 试验件构型真实飞机结构中，无论机翼还是机身的加筋壁板，加筋壁板都是作为完整结构的一部分存在。

但加筋壁板轴压承载能力试验中加筋壁板的侧边为不连续结构，该差异需要在试验件设计时进行考虑。

综合考虑真实结构的边界条件和试验件尺寸限制后，确定的试验件U型加筋壁板试验件材料采用某国产碳纤维单向带预浸料，布置有4根加强筋，试验件采用与真实飞机结构加筋壁板相同的工艺方法及工艺规范进行制造。

加强筋采用U型加筋的形式。

试验件尺寸及应变片布置见图1。

1.2 夹持方式加筋壁板轴压承载能力试验采用固支方式引入载荷，为了使载荷引入更加均匀同时防止加载段过早破坏，在夹持的两边设置了加强片。

加强片采用与加筋壁板相同的预浸料，每个加载边左右两侧各布置一个加强片，加强片与加筋壁板通过J116-B粘接，胶层厚度不大于0.3mm。

试验件安装见图2。

1.3 试验正式试验前先采用金属平板试验件对支持系数进行测定并调节支持边界直至支持系数满足试验要求。

第27卷　第5期 飞　机　设　计V ol 127N o 15 2007年　10月 A IRCRA FT D ES I GN O ct 2007　收稿日期:2007-03-02;修订日期:2007-07-06 文章编号:1673-4599(2007)05-0024-07复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计研究李戈岚,吴　斌(沈阳飞机设计研究所,辽宁沈阳　110035)摘　要:在先进的复合材料飞机结构上大量采用复合材料加筋板这种结构形式。

因此,本文着重研究了复合材料变厚度加筋板后屈曲、冲击损伤与冲击损伤对承载能力的影响,以及复合材料变厚度加筋板冲击损伤、后屈曲、耐久性/损伤容限设计一体化综合试验方法。

最后,作者根据多年从事飞机型号结构设计经验,并结合本文的研究结果,总结出15项复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计技术,以期对我国预研新机的复合材料飞机结构设计,对已研飞机的复合材料飞机结构改进、评定有所启示。

关键词:复合材料加筋板;变厚度;后屈曲;冲击损伤;承载能力;耐久性/损伤容限设计;一体化综合试验方法中图分类号:V257 文献标识码:AStudy of Post -Buckli n g D urab ility /Damage Tolerance D esi gn ofVar i a ble Th i ckness Co m posite Sti ffened PanelL I Ge-lan,WU B in(Shenyang A ircraft Design &Research I nstitute,Shenyang 110035,China )Abstract:Composite stiffened skin panels are br oadly used in advanced composites aircraft structure .I n this paper,a study of post buckling,i m pact da mage,and influence of i m pact da mage on the l oad carrying capacity of composite stiffened panel .a synthetic test method f or i m pact da mage,post-buck 2ling,and durability/da mage t olerance design of variable-thickness composite stiffened panels is p r o 2posed .15design techniques f or post-buckling durability/da mage t olerance of variable-thickness co m 2posite stiffened panels are su mmarized fr om multi p le past airfra me structure design experiences and this study eff ort t o p r ovide a design t ool for future composite airfra me structure design and the modificati on of current composite airfra me structures .Key words:composite stiffened panel;variable thickness;post-buckling;i m pact da mage;l oad carrying ability;durability/da mage t olerance design;integrated test method 目前在先进的飞机机身、机翼、尾翼的结构上,广泛采用了复合材料加筋板。

T800碳纤维增强复合材料加筋壁板压缩稳定性试验及工程计算方法验证吕毅;张伟;赵慧【摘要】国内对T800碳纤维复合材料结构的研究刚刚起步,需要对其加筋壁板的稳定性进行系统地研究.通过改变蒙皮厚度、筋条间距、筋条几何参数等设计8种构型的试验件,进行压缩稳定性试验;考虑侧边边界条件及蒙皮有效宽度的影响,对两种常用的压缩屈曲载荷工程计算方法进行验证.结果表明:在相同筋条面积下,筋条惯性矩提高屈曲载荷增大,加筋壁板的破坏载荷主要取决于壁板的横截面积;蒙皮厚度和筋条间距对屈曲载荷的影响大于对破坏载荷的影响;对于薄蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D-b2/2时,计算值与试验值最为接近;对于厚蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D时,计算值与试验值最为接近.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2017(008)003【总页数】9页(P268-276)【关键词】T800碳纤维;复合材料;加筋壁板;屈曲;工程计算方法【作者】吕毅;张伟;赵慧【作者单位】西安航空学院飞行器学院,西安 710077;西北工业大学无人机特种技术重点实验室,西安710065;西安航空学院飞行器学院,西安 710077【正文语种】中文【中图分类】V258作为飞机复合材料结构典型薄壁结构形式的加筋壁板结构在复合材料机翼和尾翼上已广泛应用[1-2]。

复合材料加筋壁板结构的主要失效模式是丧失稳定性[3]，即屈曲。

为了保证结构的使用安全，对复合材料加筋壁板结构的稳定性进行分析是飞机复合材料薄壁结构强度校核的一个重要内容[4]。

对复合材料加筋壁板结构屈曲载荷和承载能力的计算，主要是工程计算方法和以特征值法、弧长法为基础的有限元分析方法[5]。

工程计算方法，只需知道结构的几何参数和材料参数，就能快速地计算结构的屈曲载荷，其适用于飞机初步设计阶段，可快速给出整个结构的稳定性分析结论[6]。

针对不同的结构工艺及材料体系的工程计算方法，国内外的学者进行了大量的研究，L.Boni等[7]和R.Vescovini等[8]对相关文献进行了总结；在国内，王菲菲等[9]、宋刚等[10]和葛东云等[11]进行了较为深入的研究。

复合材料加筋壁板压缩屈曲与后屈曲分析李乐坤;李曙林;常飞;石晓朋;张铁军【摘要】为了建立复合材料加筋壁板承受压缩载荷下屈曲、后屈曲和破坏整个失效过程的数值分析方法,对复合材料加筋壁板进行了压缩稳定性试验和有限元分析研究.采用特征值分析法对加筋壁板进行了屈曲分析,得到加筋壁板的屈曲模态、屈曲特征值及屈曲载荷;根据加载端的载荷-位移曲线采用弧长法(Riks),得到了弧长法的屈曲载荷及后屈曲承载路径;引入失效准则,得到后屈曲直至破坏的承载能力.对比两种有限元分析法与试验结果可以得到:加筋壁板的后屈曲承载能力很大,特征值法分析屈曲载荷较弧长法更精确,而弧长法可以更好模拟后屈曲行为,建立的分析法与试验结果吻合较好.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2016(048)004【总页数】6页(P563-568)【关键词】复合材料;加筋壁板;屈曲;后屈曲;特征值法;弧长法【作者】李乐坤;李曙林;常飞;石晓朋;张铁军【作者单位】空军工程大学航空航天工程学院,西安,710038;空军工程大学航空航天工程学院,西安,710038;空军工程大学航空航天工程学院,西安,710038;空军工程大学航空航天工程学院,西安,710038;空军工程大学航空航天工程学院,西安,710038【正文语种】中文【中图分类】TB332复合材料加筋壁板以其比重小、比强度高和比模量大等特点，被广泛应用于飞机结构中。

当其受到剪切、压缩等载荷作用时，常因稳定性问题而发生失效。

加筋壁板承受外载时其稳定性问题较为复杂，以致一些设计部门一直以结构的初始屈曲载荷作为设计许用载荷。

但是加筋壁板的屈曲并不等于破坏，其结构的承载能力要高于屈曲载荷，甚至后屈曲承载能力大大高于初始屈曲载荷。

目前，针对复合材料层合板和加筋壁板的屈曲和后屈曲问题，国内外都进行了一定的研究。

沈惠申[1]采用摄动技术系统地研究了大挠度条件下的层合板和圆柱壳的屈曲及后屈曲问题，并提供了一个完整的理论体系来处理复合材料层合板的屈曲行为。

复合材料加筋壁板设计、分析与试验研究摘要由于复合材料加筋壁板结构具有整体成型性好、承载效率高、连接件数量少等诸多优势，所以在直升机/飞机的结构上获得了广泛的应用。

本文主要针对典型纵向加筋壁板开展了设计、分析、工艺及试验研究，采用理论分析和试验研究相结合的方法，对两种典型加筋壁板的承载能力进行分析和验证。

研究表明，在重量相同的情况下，T型加筋壁板比泡沫填充帽型加筋壁板有更高的承载能力。

研究中开发应用了全新的复合材料非线性屈曲分析方法，为复合材料加筋壁板结构承载能力预测提供了一种新途径。

研究成果为复合材料加筋壁板的设计提供了依据，为复合材料在未来中、重型直升机主承力结构上的应用储备了技术。

关键词：复合材料设计；加筋壁板；非线性屈曲；层压壁板；泡沫填充Key words The design of composite , stiffened panel, nonlinear buckling, laminated panels, foam filled1 引言先进复合材料在直升机/飞机结构上得到了广泛的应用，有效地减轻了结构重量，提高了其技战术性能。

采用先进复合材料的程度已成为衡量航空武器装备是否先进的重要标志之一。

国外军用飞机复合材料的用量占结构总重量的25%～40%左右，民机达10%～50%，直升机则高达60%以上，甚至出现了全复合材料的轻型直升机。

国内复合材料在航空武器装备上的应用，已从试用逐步转向批量生产，在研型号、在役改进型均将扩大复合材料用量。

在传统的航空航天结构中，由金属蒙皮及纵横向加强件构成的壁板是最常见的结构件，随着碳纤维、芳纶、玻璃纤维及高性能树脂等材料工业及制造技术的进步，复合材料已逐步进入航空航天领域，成为金属材料的替代品，其发展过程又经历了从次要结构到主要结构，从玻璃纤维增强材料到碳纤维、芳纶增强材料，从军用飞机到民用飞机。

层压壁板是应用最普遍的结构件之一，如F-16垂尾壁板、AV-8B机翼与水平尾翼壁板、F-18垂尾壁板，民用飞机Boeing737平尾壁板、L-1011垂尾壁板，A320平尾及垂尾壁板及ATR72机翼壁板等。

三维编织复合材料整体加筋壁板结构稳定性研究三维编织复合材料具有良好的结构整体性,能有效克服传统层合复合材料层间强度低、易分层等弱点,使其在飞行器机体结构上的应用前景日益广阔。

三维编织复合材料整体加筋壁板作为一种新颖的轻质高效结构型式,研究该加筋壁板结构稳定性,探寻结构屈曲及后屈曲行为,评估结构极限承载能力,是确保结构安全需亟待解决的重要问题之一。

然而,由于三维编织复合材料细观结构尤其复杂,显著增加了该材料整体加筋壁板设计与分析的难度。

因此,如何根据三维编织复合材料整体加筋壁板宏细观结构特征,建立结构稳定性分析力学模型,并系统研究材料工艺参数及结构参数对结构稳定性的影响规律,具有重要的研究价值和工程意义。

本文基于三维编织复合材料结构宏细观结构特征,采用跨尺度力学建模思想,深入研究了三维四向编织复合材料壁板和整体加筋板在典型载荷工况下的结构稳定性。

首先,在细观尺度方面,根据四步法编织工艺,研究了不同区域纱线的空间运动规律和分布构型,重点建立了材料内胞和表胞的参数化实体单胞模型,提出了三维四向编织复合材料的双层表面胞元模型,建立了基于内胞和双层表面单胞的材料弹性性能有限元力学模型,结合实验数据验证了材料弹性性能预测模型的有效性,并详尽讨论了编织角和纤维体积含量对材料弹性性能的影响规律。

其次,在宏观尺度方面,提出了三维四向编织复合材料“叠层胞元力学结构模型”,建立了壁板及加筋壁板稳定性有限元分析力学模型,研究了其在压缩及剪切载荷工况下的屈曲特性,系统讨论了编织角、纤维体积含量、壁板尺寸等对结构屈曲特性的影响。

最后,设计了典型三维四向编织复合材料整体加筋壁板结构,采用非线性有限元方法研究了其在轴压载荷下的后屈曲行为,分析了压载作用下结构的平衡路径和屈曲模态,获得了结构内力分布特征,并详尽讨论了纤维体积含量、编织角、筋条数目等参数对结构后屈曲行为的影响规律。

复合材料大开口壁板的稳定性研究摘要:本文研究复合材料大开口壁板的稳定性能,应用商用有限元软件ABAQUS对该结构进行有限元建模,开展数值分析,选用Hashin 准则,对界面选用Quards二次应力判据分别判断其失效,得到壁板的屈曲载荷和屈曲模态,然后对壁板进行后屈曲分析,进一步得到结构的破坏载荷和破坏方式。

从分析结果表明该结构具有较强的后屈曲承载能力。

关键词:复合材料壁板后屈曲稳定性大开口复合材料结构的典型形式之一是复合材料加筋壁板,该结构主要由层合板和长桁组成,该结构大量应用在飞机上,由于装配、维修等原因,在这种典型结构上经常设置口盖,一般该结构在承受压缩、弯曲、扭转和剪切载荷作用下,容易发生失效即一般意义上的丧失稳定性,亦可称之为屈曲[1],结构在失稳之后,还能够继续承载,此时又涉及到了结构的后屈曲行为特性,为了研究飞机结构的稳定性要求,保证结构的使用安全,工程人员往往需要对结构做稳定性分析。

[2]1 稳定性试验件构型试验件由开孔壁板和长桁组成,外廓尺寸为2300×550×60。

铺层递减之前蒙皮铺层顺序为:[45/-45/0/90/0/45/-45/90/-45/45/-45/0/45/-45/45/0/90/0/45/0/-45/0/90/0/45]S。

长桁铺层顺序为:[45/0/0/-45/0/90/0/-45/0/0/45/0/45/0/0/-45/0/90]S。

2 有限元分析2.1 边界及加载复合材料大开孔壁板和长桁均采用SC8R连续体壳单元离散,同时在蒙皮和长桁之间预置一层粘接元,粘接元采用COH3D8单元模拟。

有限元模型及边界条件图1,右端施加20 mm均匀压缩位移载荷,左端固支,夹持端采用约束Y方向上的位移来模拟,同时在两侧边限制X和Y方向上的位移,以及绕X轴和Y轴的转角来模拟侧边夹具的支持。

2.2 屈曲分析计算结构的屈曲模态时,压缩位移载荷设为1 mm。

经过前屈曲分析得到结构的前三阶屈曲模态,对应的特征值分别为2.58,2.68和3.97。

复合材料加筋板受轴压载荷下屈曲和后屈曲研究的开题报告一、选题背景复合材料在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域有着广泛的应用，具有高强度、低密度、耐腐蚀、耐疲劳等优点。

复合材料加筋板作为一种典型结构件，在上述领域应用较为广泛。

然而，加筋板在使用过程中受到各种载荷的作用，其中受轴压载荷下的屈曲和后屈曲现象是人们关注的热点问题。

在具体的实际应用中，如何有效地提高加筋板的承载能力和抗屈曲性能，是一个值得研究的方向。

二、研究目的和意义针对复合材料加筋板受轴压载荷下的屈曲和后屈曲问题，本研究将着力探究以下问题：1. 复合材料加筋板受轴压载荷下的屈曲特性及产生机理。

2. 复合材料加筋板后屈曲现象的分析和影响因素研究。

3. 通过改进材料、几何形状等方面的方案来提高复合材料加筋板的抗压性能。

本研究的意义在于：1. 为提高复合材料加筋板的机械性能提供理论研究支持。

2. 对于加筋板在实际应用中的设计、制造和性能评价等方面具有借鉴意义。

三、研究方法和技术路线本研究将采取如下方法和技术路线：1. 文献综述：通过查阅相关文献资料，掌握复合材料加筋板受轴压载荷下的屈曲和后屈曲现象的研究现状和进展。

2. 数值模拟：利用ANSYS软件建立符合实际情况的数值模型，模拟不同情况下复合材料加筋板的受力情况及其力学特性变化规律。

3. 实验研究：通过构建实验平台，对复合材料加筋板进行压缩试验，并在试验中测量动态变形，以验证数值模拟结果的准确性。

四、预期成果和进展本研究预期达成的主要成果和进展包括：1. 建立符合实际情况的数值模型，模拟不同条件下复合材料加筋板的受力情况及其力学特性变化规律。

2. 通过实验研究，验证数值模拟结果的准确性。

3. 分析加筋板后屈曲现象的影响因素，提出改进方案，以提高加筋板的抗压性能。

最终，本研究的成果将为提高复合材料加筋板的机械性能提供理论研究支撑，对相关产业的发展具有重要的推动作用。

Technological Innovation18《华东科技》复合材料加筋壁板结构强度分析方法研究宋波涛，付友波，白艳洁（航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，陕西 西安 710089）摘要：复合材料设计技术日益成熟，其在航空产品上的应用越来越多，更多的主承力结构开始选用复合材料，其强度设计至关重要，关系飞机安全。

本文以某飞机复合材料机身壁板为例，详细介绍了加筋壁板有限元建模及强度分析方法，给出了详细的校核公式及分析过程，可用于指导飞机强度设计及校核工作。

关键词：复合材料；强度校核；加筋壁板；稳定性近年来高性能增强纤维的先进复合材料在航空领域得到了快速发展。

先进复合材料具有比强度、比模量高，性能可设计和易于整体成形等诸多优异特性，不仅可实现结构减重，并能够明显改善飞机气动弹性特性、降低油耗、减少维修费用从而提高飞机性能，这是其他材料无法或难以实现的。

本文基于飞机复合材料机身壁板为例，介绍了复合材料加筋壁板设计过程中所面临的强度问题，并给出了有限元建模过程及其强度校核分析方法。

1 有限元建模计算 在壁板有限元建模过程中，将蒙皮单元简化为板壳单元，蒙皮单元定义为复合材料单元，材料铺层与实际结构铺层定义一致，将单向带定义为二维各项异性材料，建立材料坐标系，将材料坐标系X 轴定义为0°方向；由于长桁主要承受拉压载荷，建模时将长桁单元简化为一维杆单元，单元横截面积定义为长桁实际截面积，材料属性定义为其实际铺层等效属性。

当长桁缘条与腹板铺层不同时，假设腹板等效弹性模量为E1，截面积为A1，缘条等效弹性模量为E2，截面积为A2，则在长桁单元属性定义中，要求长桁单元截面拉压刚度保持不变，一般定义长桁弹性模量为腹板弹性模量E1，则其等效面积为：12211E A E A E A e += 复合材料结构设计中，一般为了降低结构重量，提高经济效益，蒙皮铺层及长桁铺层会不断变化，这导致建模过程比较复杂，需要对单元属性进行分段定义。

轴压载荷下加筋曲板稳定性分析研究发表时间：2020-03-26T13:37:11.017Z 来源：《防护工程》2019年21期作者：郭建钟涛安敏谭一鸣[导读] 针对飞机结构中的加筋曲板，运用强度手册中的工程方法及有限元方法进行了稳定性分析，并将工程算法计算结果与试验结果进行比较，提出了有限元建模中结构简化的正确方法，供强度计算分析参考。

航空工业陕飞公司设计研究院陕西汉中 723000摘要：针对飞机结构中的加筋曲板，运用强度手册中的工程方法及有限元方法进行了稳定性分析，并将工程算法计算结果与试验结果进行比较，提出了有限元建模中结构简化的正确方法，供强度计算分析参考。

关键词：稳定性、加筋曲板、有限元、试验1 概述加筋曲板由桁条、框和蒙皮构成。

结构稳定性是加筋曲板设计中最重要的问题之一，加筋曲板的静强度失效（破坏）中很大一部分是由于丧失稳定性引起的。

由于结构稳定性的限制，飞机结构的设计应力一般远小于结构材料的许用应力（屈服应力、极限强度）。

所以，保持稳定性是加筋曲板设计的主要依据。

在加筋曲板结构中，桁条的作用是增加蒙皮的屈曲应力和提高蒙皮的承载能力，由于蒙皮与桁条相对刚度强弱不同，会产生4种屈曲形式：桁条的局部屈曲、结构总体屈曲、桁条间蒙皮的局部屈曲、铆接曲板的附加屈曲。

加筋曲板结构中，当铆钉离桁条腹板较远或铆钉连接强度不足时，蒙皮会发生大波长屈曲，此时，蒙皮像弹性地基上的宽柱那样作用，迫使桁条与蒙皮连接的突缘跟随蒙皮外形变形，桁条也大大变形，铆钉承受拉伸载荷。

稳定性问题的计算方法一般分为三类：解析法、近似方法和半经验方法。

解析法求得的屈曲应力是精确的，但是对于许多工程实际问题，要建立微分方程来寻求精确解是十分困难的，甚至是不可能的。

因此工程上常采用近似方法或半经验方法，求得满足一定精度要求的近似解。

本文借助于有限元软件进行分析，着重研究了飞机加筋曲板稳定性，给出加筋曲板在轴压载荷作用下局部失稳模态、筋条失稳模态以及临界失稳载荷，并与半经验方法计算结果、试验结果进行比较、分析。