高強鋁合金加筋薄壁梁屈曲承載特性的實驗研究

陳希湘　魏科豐　王凱

摘 要：鋁合金加筋薄壁梁是飛機結構上的承力部件，它的靜力主要由結構屈曲失穩而引起的。薄壁梁的結構非常復雜，它的屈曲問題關聯到幾何非線性和材料非線性的相互作用，解析時有相當的難度。影響薄壁梁屈曲承載特性的因素有許多，在對它建立力學模塊時也有著許多的挑戰。文章結合實際工作中技術需求，綜合分析了高強鋁合金加筋薄壁梁的承載特性，探討了薄壁梁的承載原理。

關鍵詞：加筋薄壁梁；承載；屈曲

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

與傳統的薄壁梁相比，新的薄壁梁設計強度更高，幾何構造發生變化，因此需要對傳統的設計方法進行適用性研究，以更好的完善和加強薄壁梁的設計。隨著薄壁梁構件在工程中的大量的使用，客觀上要求人們改進它的結構，使得它有著更好的承載特性，以滿足各個方面的要求。對高強鋁合金薄壁梁屈曲承載特性的研究有著重大的理論價值和實際工程意義。

1 薄壁梁研究的實際意義

目前的實際工程應用中，薄壁梁結構的應用非常廣泛。我們可以在建筑業、海洋工程以及航空領域等見到它的身影。薄壁梁結構指的是單個薄板和多個薄板組成的復雜體系，它能實現特定的功能。高強度的材料是薄壁梁發展的一個前提，材料性能提升使得薄壁梁技術飛速發展。因為薄壁梁多變的結構，較強的設計性，它常常能起到很好的承載效率，薄壁梁作為航天飛機的主要結構。薄壁結構的面外彎曲剛度具有局限性，它的靜力實效是組成板發生外屈曲導致的。薄壁梁屈曲特性還需要進一步的研究。結構屈曲是在載荷增加到一定程度后導致的剛度減弱現象，這個載荷值稱為結構屈曲荷載。荷載值的極限稱為結構極限載荷，它的研究對結構減重的設計有著非比尋常的意義。薄壁梁受到外部載荷的作用，它的穩定性和強度的極限值是當前研究的重點，研究的方向包括薄壁梁在不同載荷下狀態和極限系數；承載能力和不同的破壞形式之間造成的結構屈曲模式以及薄壁梁屈曲后的強度和再次利用等。

2 薄壁梁結構承載強度的研究

2.1 薄壁梁結構彈性分析

薄壁結構的彈性曲面包括屈曲載荷和相應的屈曲模態兩個方面。屈曲承載和屈曲模態能真實的反映承載能力，在極限強度公式里，屈曲載荷通常作為一個參數，屈曲模式在非線性破壞中用來表示初始缺陷。彈性屈曲作為薄壁梁結構研究的重要方面，在實行分析彈性屈曲時有三種方法，包括靜力平衡、能量法以及有限元方法。

（1）靜力平衡是研究薄板屈曲的基礎方式，薄板屈曲在中面載荷作用下發生彎曲變性，從而引起薄板中面分布變化。

（2）有限元方法在求解屈曲問題時較為常用，它的求解過程相對來說比較簡單，優勢體現在不受結構型式過多的限制。薄壁結構通常是多變的，有限元法可以對這些多變結構型式進行有效的求解。有限元法的求解已經非常成熟，幾乎可以用它對所有的薄壁結構進行分析，但有限元法的解答過程有些繁瑣，在實際的應用中，我們需要更加簡單的公式來進行薄壁結構彈性屈曲研究。

2.2 腹板開口情況下

在薄壁梁結構應用中，經常會遇到腹板開口的情況。在薄壁梁結構上開口有著兩方面的意義，一是因為部分結構板件在設計時要求非常嚴格，板的厚度要達到一定數值，且結構質量不必過高，此時選擇在板件上進行開口就能解決此類要求；二是要滿足特定的結構要求，必須流出通道。開口程度大小不同分為三類，小開口、中開口和大開口。開口的大小程度能影響到結構特性，影響到結構的承載能力，薄壁梁開口會嚴重影響到其結構的承載能力。

2.3 彎剪載荷下薄壁梁承載能力

彎剪載荷的作用在多跨連續梁和懸臂梁中，剪力和載荷的共同作用使得壁梁的承載力變得較低，彎剪載荷的承載能力也是薄壁梁研究中的一個方向。彎剪承載實效有兩種情況，一個是結構實效前就發生了屈曲，另外一種是在結構實效后發生。當其中一種載荷遠大于令一種時可采用主要載荷的承載能力計算強度。

3 結構缺陷

不同的設計方法制作出不同結構和不同承載能力薄壁梁，這些薄壁梁在實際的工程應用中會暴露出各種各樣的缺陷。薄壁梁因為結構特殊，它的面外剛度較弱，這樣的結構是有缺陷的，導致薄壁梁降低了自身的承載能力。在實際應用中應充分考慮到薄壁梁的這些結構缺陷，不然會得到比實際較大的預測值，這個數值可能遠大于本身的結構強度。薄壁量的結構存在著缺陷，這種結構對缺陷有一定的敏感性，目前的研究正在致力于解決這一問題。

薄壁梁的結構缺陷可以分為兩種，一種是幾何缺陷，另一種是殘余應力。當薄壁梁的寬厚程度較大時，殘余應力容易容易轉化幾何缺陷，從而進行釋放。殘余應力對薄壁梁的結構承載特性干預不大，有時候甚至可以忽略不計。

總而言之，薄壁梁的形式非常多變，結構比較復雜，在發生屈曲破壞時的過程也多種多樣。薄壁梁在整體結構破壞之前可能會先發生局部屈曲破壞，同樣會引起薄壁梁失去承載的能力，因此研究薄壁梁的問題就變得相對復雜。影響薄壁梁的因數還有一些其他的外界條件，如外界的約束條件和受力環境等，外界約束相對簡單，實際工程中的承載環境更加復雜，在建立模型方面也需要許多創新。

參考文獻：

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項目資助：湖北省教育廳科學研究計劃指導性項目（B2017435）資助