復合材料受剪梁腹板穩定性試驗及數值分析

尹劍

摘 要：復合材料在民機中的運用范圍逐漸由非主承力結構向主承力結構過渡。以某型民機水平安定面復合材料后梁腹板為研究對象，針對不同的腹板開口形式，通過靜力試驗與有限元分析相結合的方式，研究復合材料梁腹板在剪切載荷作用下的穩定性問題，經過比較，有限元分析的結果與靜力試驗結果較為吻合，并從試驗結果中得到了復合材料梁腹板結構的后屈曲能力。

關鍵詞：開口 復合材料 梁腹板 穩定性 有限元

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（c）-0063-02

復合材料由于較大的比強度及比剛度的特點，被廣泛應用于航空航天領域，在飛機上的應用范圍也逐步由整流罩等非主承力結構向機翼、尾翼等主承力結構過渡。某型民機采用T800級復合材料作為水平安定面復合材料梁結構的主要材料。與金屬梁結構類似，復合材料梁腹板經常會由于工藝安裝、減重等方面的需求，在腹板上進行各種尺寸的開口。根據開口目的及具體位置的不同，開口形狀分為圓形、長圓形及菱形等。由于開口切斷了腹板的連續纖維，同時在孔邊形成高應力區，直接降低開口區腹板結構在靜強度及疲勞強度[1]方面的性能。

該文以某型民機水平安定面復合材料后梁受剪腹板為研究對象，選取后梁腹板某處典型位置的鋪層、幾何尺寸，通過工程分析方法與有限元分析相結合的方式研究受剪腹板的穩定性問題，并進行了相應結構的剪切穩定性試驗，試驗結果表明理論分析與試驗具有較高的一致性。

1 梁腹板剪切穩定性試驗

梁腹板剪切穩定性試驗件考核區長340 mm，寬280 mm，腹板的鋪層為[45/-45/0/45/0/-45/90/45/0/-45]s，單層厚度0.188 mm，共20層，厚度為3.76 mm，腹板材料為T800級單向帶，單層厚度0.188 mm。試驗件共四組，在無開口梁腹板試驗件的基礎上，增加梁腹板小菱形開口、大菱形開口以及圓形開口三組的試驗件，考慮復合材料的分散性，每組試驗件各6件，無開口試驗件的結構示意圖如圖1所示。

通過施加對角拉伸載荷對梁腹板試驗件進行剪切穩定性試驗。試驗件的短邊粘貼2 mm厚度玻璃纖維補強板，裝載至250 t級MTS靜力試驗機，通過一端夾持一端加載的方式進行試驗，加載速率為2 mm/min。

2 有限元分析簡介

以梁腹板穩定性試驗件為基礎，利用PATRAN進行建模，試驗件所用材料T800級材料的力學性能如表1所示。梁腹板結構采用殼元（PSHELL）進行模擬，單元類型為QUAD4單元，模型邊界施加簡支約束，以模擬實際結構中梁腹板的邊界條件，并在四個邊施加單位載荷。提交NASTRAN進行SOL105屈曲模塊進行求解，得到梁腹板的初始屈曲載荷。

3 有限元分析與試驗結果對比分析

3.1 屈曲波形對比

根據有限元分析和剪切穩定性試驗分別得到試驗件的屈曲波形，分析得到兩種方法得到的波形基本相同。以無開口梁腹板試驗件為例，如圖2所示。

從圖2中可以看出，剪切屈曲波均為沿對角拉伸方向，最終試驗件的破壞模式也與預期破壞模式相符，均為沿對角拉伸方向腹板剪切失穩破壞。

3.2 初始屈曲載荷對比

根據有限元分析和剪切穩定性試驗分別得到試驗件的初始屈曲載荷，如表2所示。從表2中的數據可以看出，有限元分析得到的結果與試驗結果相當接近。

3.3 后屈曲研究

復合材料結構往往具有一定的后屈曲能力，即結構在進入屈曲后仍能承受載荷直至最終破壞。從試驗結果可以得到四種結構的梁腹板試驗件的后屈曲能力，如表3所示，從表中可知復合材料梁腹板結構具有較強的后屈曲能力。

4 結語

通過對復合材料梁腹板結構進行有限元分析以及穩定性試驗，對兩種分析結果進行對比，得到如下結論：

通過有限元分析得到的受剪腹板的剪切屈曲波形與試驗結果較為一致，理論初始屈曲載荷與試驗值符合較好；

復合材料梁腹板在剪切載荷下具有較強的后屈曲能力，在結構設計中可以考慮此特性，達到結構減重的目的。

參考文獻

[1] 趙偉棟，李衛芳.碳/KH-304復合材料構件開口補強技術研究[J].宇航材料工藝， 2003（1）：40-52.endprint