复合材料大开口壁板的稳定性研究

薛俊川　战宇

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

中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0067-01

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]

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。

2.3 后屈曲分析

在屈曲分析的基础上进行后屈曲分析时，在结构中引入的初始扰动为前屈曲的一阶模态。结构的载荷位移曲线见图2，曲线存在很长的线性段，且突然发生掉载，说明破坏是突然发生的。载荷位移曲线掉载时，位移载荷为6.86 mm，结构的支反力为755.76 kN，结构应变水平约为3000微应变。

结构在复合材料出现损伤之前，蒙皮和长桁之间的界面首先发生脱粘，模型中以粘接元的损伤来体现，粘接元起始位置为中间长桁的被打断处，支持端附近粘接元的损伤紧随其后，随着载荷的继续增加，复合材料开始出现损伤，损伤模式为基体压缩损伤，损伤出现在两侧长桁中部，紧接着出现的损伤模式为复合材料纤维压缩损伤，损伤位置和基体压缩损伤位置相同。当复合纤维损伤达到一定面积之后，结构达到承载能力最大值，此时加载端位移为6.86 mm，支反力为755.76 kN。

3 结论

（1）长桁和蒙皮之间首先发生脱粘，之后两侧长桁发生屈曲，进而导致复合材料基体和纤维发生压缩破坏；当复合材料纤维损伤达到一定面积之后，结构达到承载能力的极限，载荷位移曲线掉载，结构的极限承载能力为755.76 kN；（2）由屈曲分析得到结构的一阶屈曲特征值为2.58，在此位移下，结构的载荷位移曲线的斜率并未出现明显的变化，这从侧面说明，结构的局部屈曲对结构整体的刚度影响不大；（3）试件破坏载荷远大于屈曲载荷，说明本文研究的结构具有较强的后屈曲承载能力，在工程应用中应充分发挥该种结构的效能。

参考文献

[1] 中国航空研究院.复合材料结构稳定性指南[M].北京：航空工业出版社，2002.

[2] Zimmermann R，Klein H，Kling A. Buckling and post-buckling of stringer stiffened fiber composite curved panels-Tests and computations. Composite Structures，2006.