復(fù)合材料加筋壁板軸壓承載能力試驗(yàn)研究

劉東輝　龔偉明

摘 要：根據(jù)真實(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)確定了加筋壁板試驗(yàn)件構(gòu)型及試驗(yàn)構(gòu)型。采用固支方式引入軸壓載荷，逐級(jí)加載直至試驗(yàn)件破壞。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的后屈曲承載能力，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮以減輕結(jié)構(gòu)重量。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；加筋壁板；軸壓穩(wěn)定性；U型筋條

引言

復(fù)合材料由于其比強(qiáng)度高、比模量高、材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)在飛行器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中得到了迅猛發(fā)展，應(yīng)用已從次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到機(jī)身、機(jī)翼、安定面等主承力結(jié)構(gòu)。對(duì)于復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了大量的剪切承載能力試驗(yàn)，但由于實(shí)際應(yīng)用部位、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等各不相同，導(dǎo)致在試驗(yàn)件構(gòu)型、夾持方法等試驗(yàn)上的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)也是各有差異。到目前為止，也沒(méi)有專門針對(duì)其中某一項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，因此，試驗(yàn)的設(shè)計(jì)沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，每次試驗(yàn)都是根據(jù)其規(guī)模、經(jīng)費(fèi)等因素決定試驗(yàn)方案，這樣的試驗(yàn)其結(jié)果的可信性也無(wú)法評(píng)判。鑒于此，亟需一種相對(duì)統(tǒng)一的試驗(yàn)方法，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 試驗(yàn)構(gòu)型

1.1 試驗(yàn)件構(gòu)型

真實(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，無(wú)論機(jī)翼還是機(jī)身的加筋壁板，加筋壁板都是作為完整結(jié)構(gòu)的一部分存在。但加筋壁板軸壓承載能力試驗(yàn)中加筋壁板的側(cè)邊為不連續(xù)結(jié)構(gòu)，該差異需要在試驗(yàn)件設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行考慮。綜合考慮真實(shí)結(jié)構(gòu)的邊界條件和試驗(yàn)件尺寸限制后，確定的試驗(yàn)件U型加筋壁板試驗(yàn)件材料采用某國(guó)產(chǎn)碳纖維單向帶預(yù)浸料，布置有4根加強(qiáng)筋，試驗(yàn)件采用與真實(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)加筋壁板相同的工藝方法及工藝規(guī)范進(jìn)行制造。加強(qiáng)筋采用U型加筋的形式。試驗(yàn)件尺寸及應(yīng)變片布置見(jiàn)圖1。

1.2 夾持方式

加筋壁板軸壓承載能力試驗(yàn)采用固支方式引入載荷，為了使載荷引入更加均勻同時(shí)防止加載段過(guò)早破壞，在夾持的兩邊設(shè)置了加強(qiáng)片。加強(qiáng)片采用與加筋壁板相同的預(yù)浸料，每個(gè)加載邊左右兩側(cè)各布置一個(gè)加強(qiáng)片，加強(qiáng)片與加筋壁板通過(guò)J116-B粘接，膠層厚度不大于0.3mm。試驗(yàn)件安裝見(jiàn)圖2。

1.3 試驗(yàn)

正式試驗(yàn)前先采用金屬平板試驗(yàn)件對(duì)支持系數(shù)進(jìn)行測(cè)定并調(diào)節(jié)支持邊界直至支持系數(shù)滿足試驗(yàn)要求。支持邊界調(diào)節(jié)完成后開(kāi)始正式試驗(yàn)，加載直至試驗(yàn)件破壞，試驗(yàn)件破壞形式見(jiàn)圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)件破壞形式見(jiàn)圖3，中間部分應(yīng)變見(jiàn)圖4和圖5。最大試驗(yàn)載荷為22991N，破壞形式同樣為U型長(zhǎng)桁和蒙皮在端部處開(kāi)裂。

由于試驗(yàn)構(gòu)型參考真實(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋并沒(méi)有直接與橫向加強(qiáng)件連接，因此在試驗(yàn)開(kāi)始階段，載荷通過(guò)蒙皮傳遞和承載。隨后蒙皮發(fā)生局部屈曲，蒙皮仍能繼續(xù)承載，同時(shí)加強(qiáng)筋開(kāi)始參與承載，直至結(jié)構(gòu)最終破壞。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)復(fù)合材料加筋壁板軸壓承載能力試驗(yàn)及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，即使對(duì)于復(fù)合材料薄壁加筋壁板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在發(fā)生屈曲后仍有較強(qiáng)的承載能力，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮結(jié)構(gòu)的后屈曲能力，充分利用結(jié)構(gòu)的承載能力。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉東輝（1980，01-），男，漢族，陜西寶雞，本科，任職于中航通飛研究院有限公司，高級(jí)工程師，從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。