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几何缺陷对复合材料加筋平板轴压屈曲影响研究

刘洪权 谭申刚 张建刚 杜正兴

刘洪权, 谭申刚, 张建刚, 杜正兴. 几何缺陷对复合材料加筋平板轴压屈曲影响研究[J]. 机械科学与技术, 2018, 37(12): 1963-1968. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180088
引用本文: 刘洪权, 谭申刚, 张建刚, 杜正兴. 几何缺陷对复合材料加筋平板轴压屈曲影响研究[J]. 机械科学与技术, 2018, 37(12): 1963-1968. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180088
Liu Hongquan, Tan Shen'gang, Zhang Jian'gang, Du Zhengxing. Study on Effect of Geometry Imperfection on Buckling of Compressive Load for Composite Stiffened Panel[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2018, 37(12): 1963-1968. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180088
Citation: Liu Hongquan, Tan Shen'gang, Zhang Jian'gang, Du Zhengxing. Study on Effect of Geometry Imperfection on Buckling of Compressive Load for Composite Stiffened Panel[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2018, 37(12): 1963-1968. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180088

几何缺陷对复合材料加筋平板轴压屈曲影响研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180088
详细信息
    作者简介:

    刘洪权(1981-), 高级工程师, 博士研究生, 研究方向为复合材料机身结构强度设计, xiaoliu810609@sina.com

  • 中图分类号: V215.2

Study on Effect of Geometry Imperfection on Buckling of Compressive Load for Composite Stiffened Panel

  • 摘要: 当前的设计准则要求复合材料结构在限制载荷下蒙皮不发生局部屈曲,因此对蒙皮屈曲载荷的准确预测至关重要。设计了三种构型复合材料加筋平板轴压试验件,研究蒙皮在轴压载荷下的屈曲和后屈曲;采用线性特征值有限元方法计算了蒙皮的轴压屈曲载荷;采用多阶屈曲模态线性组合的方式引入初始缺陷,应用非线性方法计算了蒙皮轴压屈曲载荷并进行了缺陷灵敏度分析。计算结果和试验结果对比表明:当前计算蒙皮屈曲的工程方法过于保守,有限元方法可以更准确的计算蒙皮的屈曲载荷;初始缺陷对复合材料平板屈曲载荷有一定影响,其影响大小与缺陷幅值息息相关,不考虑该缺陷,会得到非保守的计算结果。
  • 图  1  加筋板中间截面应片位置

    图  2  PB1试验件中间截面上蒙皮应变-载荷变化

    图  3  加筋板有限元模型及约束示意图

    图  4  加筋板前两阶屈曲载荷和屈曲模态

    图  5  蒙皮面外位移变化率和中点反力与加载位移关系

    图  6  不同缺陷系数下蒙皮面外位移与中间位置蒙皮反力与加载级数的变化曲线

    图  7  不同缺陷系数下加筋平板的屈曲模态

    图  8  不同缺陷系数下蒙皮面外位移与中间位置蒙皮反力与加载级数变化曲线

    图  9  不同缺陷系数下加筋平板的屈曲模态

    表  1  加筋单层材料性能参数

    材料牌号 E11/
    GPa
    E22/
    GPa
    μ G12/
    GPa
    CF3031/3238A 59.2 58 0.054 3.77
    CCF300/3238A 111 8.28 0.3 3.7
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    表  2  加筋板尺寸和铺层参数

    板编号 框距/mm 桁距/mm 蒙皮厚度/mm 长桁铺层 长桁厚度/mm
    PB1 500 230 1.38 [(±45)/02/(±45)/02/(±45)]s 2.38
    PB2 500 200 1.15
    PB3 500 150 0.92
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    表  3  加筋平板蒙皮屈曲试验结果与计算结果对比

    板编号 蒙皮厚度/mm 传统壳单元/N 连续壳单元/N 工程方法/N 试验结果/N
    PB1 1.38 16 494 18 516 15 020 18 000
    PB2 1.15 13 695 14 744 10 710 14 000
    PB3 0.92 13 735 14 070 10 370 13 000
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    表  4  加筋板试验结果与计算结果对比

    缺陷系数a 计算方法 屈曲载荷/N 1阶模态缺陷/N 误差/% 10阶模态缺陷/N 误差/%
    0.1 工程方法 15 020 17 767 -4.04 18 229 -1.55
    0.2 线性屈曲连续壳单元 18 516 16 618 -10.25 17 034 -8.0
    0.5 线性屈曲传统壳单元 16 495 15 738 -15.0 16 108 -13.0
    1.0 试验结果 18 000 14 812 -20.0 15 488 -16.35
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  • 收稿日期:  2017-09-10
  • 刊出日期:  2018-12-05

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