复合材料梯形波纹腹板层压梁刚度与屈曲特性分析.pdfVIP

复合材料梯形波纹腹板层压梁刚度和屈曲特性分析1) *,2) * * 秋 洪 燕 ，矫 桂 琼 ，黄 涛 * （西北工业大学 力学与土木建筑学院 陕西 西安 710129 ） 摘要：先进复合材料具有比强度和比模量高、铺层可设计性好和易于整体成形等许多优异特性，已广泛的应用于航空航 天领域。层压梁是复合材料结构中常见的受力构件，如翼面结构中的大梁、翼肋，机身结构中的纵向梁等。复合材料层 [1] 压梁腹板设计成波纹形状，不仅重量轻、刚度大且稳定性好 。由于工程中所采用的翼面结构大梁和机身纵向梁等层压梁 结构腹板高度较高，在结构服役过程中，必须保证其有足够的刚度同时具有较高的抗屈曲性能。因此，研究复合材料层 压梁结构的刚度和屈曲特性对实际工程设计是很有意义的。 本文运用Abuqus有限元软件，对碳纤维增强树脂基复合材料 （CFRP ）梯形波纹腹板层压梁 （长宽高分别为800mm、 70mm、475mm）进行了有限元建模分析。由于梯形波纹腹板在实际工程中主要承剪，因此，本文主要开展了在受剪工况下 梯形波纹腹板层压梁的剪切刚度和屈曲特性问题的研究。同时，本文进一步研究了四种基本载荷形式和四种约束不同自 由度的约束条件对梯形波纹腹板梁剪切刚度和稳定性的影响。 K=F/γ （1） 式中：F为腹板所受外力的合力；γ为腹板角应变，K为层压梁梯形波纹腹板剪切刚度； 分析结果表明：加载方式对结构剪切刚度影响较大，梁翼缘板面上加均布力腹板剪切刚度值最大，腹板横截面上加 剪力腹板剪切刚度值最小；同时，约束最弱的单一位移约束条件下计算得到的剪切刚度最小，约束最强的梁端面固定约 束条件下计算得到的剪切刚度最高，固定约束剪切刚度约为单一位移约束的2.5 倍。梯形波纹腹板层压梁结构失稳模式主 要为在靠近加载边或靠近约束边区域，结构的上下两平腹板首先发生局部屈曲失稳，最终导致结构破坏。结构在固支边 界条件下得到的屈曲载荷最大，其它三种边界条件得到的屈曲载荷均很接近。加集中力在固定约束条件下屈曲载荷约为 单一位移约束下屈曲载荷的2.2 倍； 关键字：复合材料；梯形波纹腹板层压梁；剪切刚度；屈曲 引 言 复合材料波纹腹板层压梁，即将层压梁腹板沿梁跨度方向加工成有周期性的梯形、折线形或曲线形。 波纹腹板层压梁的剪力主要由腹板承担，由于增加了承剪面积，使得结构具有较高的抗剪切屈曲能力。 [2-4] 美国NASA兰利研究中心在二十世纪70年代针对波纹板开展了有限元建模分析及刚度的研究 ， 并把研究成果应用到飞机结构概念设计阶段。此外，他们还展开了在不同静力载荷作用下波纹板的建模 [5-8] [9] 稳定性分析 。目前，国内关于此类结构的研究较为欠缺，主要有中国飞机强度研究所的吴存利等人 ， 开展了对复合材料正弦波纹板刚度研究；他们基于经典层合板理论，推导了正弦波纹板刚度，得到了波 纹板拉伸、耦合和弯曲刚度的解析表达式。鉴于国内关于波纹腹板结构的研究较少，因此，对此类结构 进行刚度和稳定性方面的研究是很有意义。 本文针对含波纹板结构进行有限元建模方法研究，将该方法应用于某层压梁结构刚度和稳定性分析 中，得到了不同载荷作用和约束方式对结构刚度和临界屈曲载荷的影响。基于腹板剪切刚度定义给出了结 构刚度线性拟合公式，拟合曲线与数据点吻合较好。 1) **基金(和** 基金 （9876543 ）资助项目 2) E-mail ：hong.yan.qiu@163.com 1 结构有限元建模 梯形波纹腹板层压梁结构几何形状较复杂，其由上、下翼缘板和梯形腹板构成，其中梯形腹板又由上、下 平腹板和若干斜腹板构成。图 1 为结构简化模型图，其长、宽、高分别为 800mm、70mm、475mm ，