高强铝合金加筋薄壁梁屈曲承载特性的实验研究

陈希湘　魏科丰　王凯

摘 要：铝合金加筋薄壁梁是飞机结构上的承力部件，它的静力主要由结构屈曲失稳而引起的。薄壁梁的结构非常复杂，它的屈曲问题关联到几何非线性和材料非线性的相互作用，解析时有相当的难度。影响薄壁梁屈曲承载特性的因素有许多，在对它建立力学模块时也有着许多的挑战。文章结合实际工作中技术需求，综合分析了高强铝合金加筋薄壁梁的承载特性，探讨了薄壁梁的承载原理。

关键词：加筋薄壁梁；承载；屈曲

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.009

与传统的薄壁梁相比，新的薄壁梁设计强度更高，几何构造发生变化，因此需要对传统的设计方法进行适用性研究，以更好的完善和加強薄壁梁的设计。随着薄壁梁构件在工程中的大量的使用，客观上要求人们改进它的结构，使得它有着更好的承载特性，以满足各个方面的要求。对高强铝合金薄壁梁屈曲承载特性的研究有着重大的理论价值和实际工程意义。

1 薄壁梁研究的实际意义

目前的实际工程应用中，薄壁梁结构的应用非常广泛。我们可以在建筑业、海洋工程以及航空领域等见到它的身影。薄壁梁结构指的是单个薄板和多个薄板组成的复杂体系，它能实现特定的功能。高强度的材料是薄壁梁发展的一个前提，材料性能提升使得薄壁梁技术飞速发展。因为薄壁梁多变的结构，较强的设计性，它常常能起到很好的承载效率，薄壁梁作为航天飞机的主要结构。薄壁结构的面外弯曲刚度具有局限性，它的静力实效是组成板发生外屈曲导致的。薄壁梁屈曲特性还需要进一步的研究。结构屈曲是在载荷增加到一定程度后导致的刚度减弱现象，这个载荷值称为结构屈曲荷载。荷载值的极限称为结构极限载荷，它的研究对结构减重的设计有着非比寻常的意义。薄壁梁受到外部载荷的作用，它的稳定性和强度的极限值是当前研究的重点，研究的方向包括薄壁梁在不同载荷下状态和极限系数；承载能力和不同的破坏形式之间造成的结构屈曲模式以及薄壁梁屈曲后的强度和再次利用等。

2 薄壁梁结构承载强度的研究

2.1 薄壁梁结构弹性分析

薄壁结构的弹性曲面包括屈曲载荷和相应的屈曲模态两个方面。屈曲承载和屈曲模态能真实的反映承载能力，在极限强度公式里，屈曲载荷通常作为一个参数，屈曲模式在非线性破坏中用来表示初始缺陷。弹性屈曲作为薄壁梁结构研究的重要方面，在实行分析弹性屈曲时有三种方法，包括静力平衡、能量法以及有限元方法。

（1）静力平衡是研究薄板屈曲的基础方式，薄板屈曲在中面载荷作用下发生弯曲变性，从而引起薄板中面分布变化。

（2）有限元方法在求解屈曲问题时较为常用，它的求解过程相对来说比较简单，优势体现在不受结构型式过多的限制。薄壁结构通常是多变的，有限元法可以对这些多变结构型式进行有效的求解。有限元法的求解已经非常成熟，几乎可以用它对所有的薄壁结构进行分析，但有限元法的解答过程有些繁琐，在实际的应用中，我们需要更加简单的公式来进行薄壁结构弹性屈曲研究。

2.2 腹板开口情况下

在薄壁梁结构应用中，经常会遇到腹板开口的情况。在薄壁梁结构上开口有着两方面的意义，一是因为部分结构板件在设计时要求非常严格，板的厚度要达到一定数值，且结构质量不必过高，此时选择在板件上进行开口就能解决此类要求；二是要满足特定的结构要求，必须流出通道。开口程度大小不同分为三类，小开口、中开口和大开口。开口的大小程度能影响到结构特性，影响到结构的承载能力，薄壁梁开口会严重影响到其结构的承载能力。

2.3 弯剪载荷下薄壁梁承载能力

弯剪载荷的作用在多跨连续梁和悬臂梁中，剪力和载荷的共同作用使得壁梁的承载力变得较低，弯剪载荷的承载能力也是薄壁梁研究中的一个方向。弯剪承载实效有两种情况，一个是结构实效前就发生了屈曲，另外一种是在结构实效后发生。当其中一种载荷远大于令一种时可采用主要载荷的承载能力计算强度。

3 结构缺陷

不同的设计方法制作出不同结构和不同承载能力薄壁梁，这些薄壁梁在实际的工程应用中会暴露出各种各样的缺陷。薄壁梁因为结构特殊，它的面外刚度较弱，这样的结构是有缺陷的，导致薄壁梁降低了自身的承载能力。在实际应用中应充分考虑到薄壁梁的这些结构缺陷，不然会得到比实际较大的预测值，这个数值可能远大于本身的结构强度。薄壁量的结构存在着缺陷，这种结构对缺陷有一定的敏感性，目前的研究正在致力于解决这一问题。

薄壁梁的结构缺陷可以分为两种，一种是几何缺陷，另一种是残余应力。当薄壁梁的宽厚程度较大时，残余应力容易容易转化几何缺陷，从而进行释放。残余应力对薄壁梁的结构承载特性干预不大，有时候甚至可以忽略不计。

总而言之，薄壁梁的形式非常多变，结构比较复杂，在发生屈曲破坏时的过程也多种多样。薄壁梁在整体结构破坏之前可能会先发生局部屈曲破坏，同样会引起薄壁梁失去承载的能力，因此研究薄壁梁的问题就变得相对复杂。影响薄壁梁的因数还有一些其他的外界条件，如外界的约束条件和受力环境等，外界约束相对简单，实际工程中的承载环境更加复杂，在建立模型方面也需要许多创新。

参考文献：

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[2]吴亚舸，张其林.铝合金梁弯扭稳定系数的试验研究及数值分析[J].建筑结构学报，2006，27（05）：1-8.

[3]崔溦，闫澍旺.基础理论与实验研究[J].Ytlx.whrsm.ac：cn.

项目资助：湖北省教育厅科学研究计划指导性项目（B2017435）资助