复合材料加筋壁板结构的承载能力研究

论文摘要

复合材料因其比强度高、比刚度大、可设计性好,在航空、航天等领域得到广泛应用。现代航空结构中采用了大量的复合材料层合板,如机身翼面上的肋腹板、长桁与肋之间的蒙皮等。当其承受压缩、剪切载荷时可能发生失稳,甚至因此而引起破坏,造成灾难性的后果。事实上,结构在屈曲以后并不立即破坏,仍旧具有很大的承载能力,即后屈曲强度。因此可以利用后屈曲强度以提高承载能力,需要研究加筋板的屈曲及后屈曲特性。本文重点对飞机垂尾盒段部件的复合材料加筋壁板的后屈曲承载能力进行研究。本文采用有限元法,利用ABAQUS软件对轴压载荷下的复合材料加筋层合板结构进行稳定性分析,计算出临界载荷因子和屈曲模态；并用工程简化经验公式对结构的屈曲载荷进行计算,将两种方法的计算结果进行比较,效果较好,证明了有限元计算的正确性。其次,考虑几何非线性,利用ABAQUS对复合材料加筋层合板的后屈曲承载能力进行模拟。讨论位移约束、初始缺陷、筋条几何尺寸、边界加强、载荷等多种因素对屈曲、后屈曲的影响。复合材料层合结构的失稳和破坏过程是非常复杂的,其破坏不是整体发生,而是逐层破坏。本文对ABAQUS进行二次开发,将基于Tsai-Wu理论的渐进破坏模式引入到非线性有限元计算中,得出轴压、剪切及组合作用下复合材料壁板结构的后屈曲及破坏过程的平衡路径。复合材料加筋壁板中长桁与面板间的胶接强度对于发挥结构承载能力、保证结构安全十分重要。本文以二次应力准则作为开裂的初始判据,裂纹扩展在混合模式基于能量损伤演化的基础上,采用BK断裂能准则,选用ABAQUS的粘接单元研究壁板局部长桁和蒙皮脱粘的发生和扩展,对筋-板后屈曲开裂进行模拟,为控制胶接强度和界面开裂提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 发展现状
• 1.3 屈曲、后屈曲
• 1.4 本文的研究工作
• 第2章 复合材料加筋壁板的稳定性理论
• 2.1 引言
• 2.2 位能驻值原理以及稳定性能量准则
• 2.2.1 平衡的充要条件
• 2.2.2 稳定条件
• 2.3 复合材料层合板的几何非线性屈曲及后屈曲理论
• 2.3.1 几何关系
• 2.3.2 本构关系
• 2.4 材料内部破坏准则
• 2.5 加筋层合板屈曲分析的工程简化方法
• 2.5.1 蒙皮的局部屈曲分析
• 2.5.2 加筋桁条的局部屈曲分析
• 2.5.3 加筋层合板的总体屈曲分析
• 2.6 小结
• 第3章 非线性屈曲后屈曲有限元分析理论
• 3.1 引言
• 3.2 有限元软件ABAQUS简介
• 3.3 剪切修正
• 3.4 筋板连接
• 3.5 求解约束方程组
• 3.5.1 弧长法
• 3.5.2 等弧长法
• 3.5.3 改进的弧长法
• 3.6 收敛准则
• 3.7 强度准则和刚度折减
• 3.7.1 渐进破坏研究方法
• 3.7.2 渐进破坏模型
• 3.8 加筋层合板实例计算
• 3.10 小结
• 第4章 复合材料加筋壁板屈曲及后屈曲有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 载荷及边界条件
• 4.3 轴压载荷下屈曲、后屈曲计算分析
• 4.3.1 位移约束对屈曲、后屈曲的影响
• 4.3.2 筋条尺寸对屈曲、后屈曲的影响
• 4.3.3 边界加强对屈曲、后屈曲的影响
• 4.3.4 初始缺陷对后屈曲形态的影响
• 4.3.5 屈服准则和刚度折减对后屈曲的影响
• 4.4 剪切载荷下屈曲、后屈曲计算分析
• 4.5 轴压与剪切组合作用下屈曲、后屈曲计算分析
• 4.6 筋-板开裂有限元分析
• 4.7 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢