不同壓剪比下復合材料加筋壁板屈曲行為及承載能力試驗研究

1，2，1，2（1.，；2.，）

關鍵詞：復合材料加筋壁板；復合載荷；壓剪比；屈曲；承載能力中圖分類號： 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0084-04

Abstract:Aimedatthestabilitydesign challngesof compositestiffnedpanelsundercombinedcompressive-shearloading， this paper investigated the mechanism by which the axial-shear stress ratio( R= compressive load/shear load） regulates buckling behaviorthroughexperimentalstudies.Aself-developedflatpanelaxial-sheartesting devicewasused，whilstagradient experimentalmatrixwithsixaxial-shearstressratioconditionswasestablished.Theenvelopecurvesofcompressiveandshear buckling loads were mapped，，and failure test on the specimen under a loading condition with R=2 was conducted.The experimentalresultsrevealthattheriticalcompresivebucklingloadincreaseswithhigheraxial-shearratios，whilethecritical shearbuckling load decreases with increasing R .An exponential function model based onthe natural logarithm achieves good predictionaccuracyfortheloadenvelopecurves.Specimenfalureprimarilyresultedfromlarge-areadebondingbetweentheskin andstffeners，withpost-bucklingload-caryingcapacityreaching1.45timesthebucklingload.Thisstudyprovidesvaluable references for the design of primary load-bearing composite structures.

Keywords: composite stiffned panel; combined loading; axial-to-shear ratio; buckling; carrying capacity

復合材料加筋壁板結構通常由薄壁面板與規則排列的加強筋構成，因其輕量化、高比強度及抗疲勞性能等優勢，成為飛行器機身、機翼等關鍵承載部件的常見結構形式。但是這類結構在承受壓縮、剪切載荷作用時，結構在失效破壞前常常會發生屈曲失穩，產生不利變形，嚴重限制了復合材料減重效能的發揮。因此，為保證復合材料結構的使用安全，充分發揮復合材料的減重特性，迫切需要對復合材料在不同壓剪比下的屈曲及后屈曲特性進行研究。

進入21世紀以來，復合材料加筋壁板屈曲及后屈曲特性研究受到廣泛關注。歐洲空客公司啟動了POSICOSS和COCOMAT兩個項目，對復合材料加筋壁板結構進行試驗研究，研究破壞機理，并給出屈曲和后屈曲設計方法與指南。Atevens等對壓縮載荷下加筋壁板的穩定性進行研究，結果表明，結構的后屈曲承載能力達到屈曲載荷的4倍，筋條與截面出現脫粘導致結構最終失效。Kong等2對壓縮載荷下整體成型工藝制造的T型復合材料加筋壁板進行了試驗研究，結構表明，后屈曲承載能力為屈曲載荷4倍多，但在破壞形式上與Atevens得到了不同的結果。Shi等[3]對剪切載荷下的屈曲載荷開展了試驗研究。馮宇等4對復合材料T型加筋壁板結構的剪切屈曲及失效載荷進行了預估和試驗驗證。

從以上的文獻可以看出，多數研究都聚焦于純壓縮或純剪切載荷，缺乏對較大范圍內不同壓剪比的系統性試驗研究。本文以復合材料加筋壁板為研究對象，開展了在不同壓剪比工況下的結構屈曲特性試驗研究，并對試驗件在特定壓剪載荷下的承載能力進行了試驗研究。

1試驗件

1.1試驗件形式和尺寸

試驗件為復材機身帽型長桁加筋壁板，主要由蒙皮、長桁、浮框和灌膠盒4部分構成。長桁和蒙皮間膠接，蒙皮和浮框間螺接，試驗件兩端用膠灌封于盒內。灌注區內蒙皮和長桁位置正反面分別粘貼加強片。試驗件蒙皮左右兩側在正反面分別粘貼加強片。試驗件尺寸見表1，試驗件整體結構示意如圖1所示。

1.2試驗件材料和鋪層情況

試驗件的蒙皮、長桁和加強片制造選用T800/BA9918，單層厚度為 0.19mm 試驗件的材料和鋪層情況見表2、表3。

2試驗件支持及加載

2.1 試驗項目

試驗項目順序見表4。

2.2試驗加載方案

試驗通過自研平直壁板壓剪試驗裝置進行。在施加壓縮載荷和剪切載荷時具有相互獨立、互不干擾的優點，故可實現不同壓剪比的載荷工況。試驗件底邊通過角形件固定在設備底座上，通過壓縮作動筒、載荷傳感器、壓縮平臺對試驗件上端面施加均勻的壓向載荷。試驗前，通過調整壓縮平臺的位置，使壓力中心與試驗件考核區橫截面的剛度中心(壓心)相重合。剪切載荷應用框架自平衡原理施加，框架左右兩側10個均載器均輸出壓縮載荷，載荷經過曲杠桿轉換方向，作用在試驗件2個側邊的接頭上，框架在試驗件反力的作用下產生繞轉軸轉動的趨勢，使拉板對試驗件的上端部施加剪切載荷，并由力矩的平衡可知，試驗件四邊所受的剪流相等，如圖2所示。

2.3 試驗測量方案

本文采用電測法對試驗件進行應變監測。試驗件應變片數量和位移測量點數量見表5。各部位應變片粘貼和位移測量點示意圖如圖3所示。為方便試驗結果說明，在貼片圖中共定義了8個截面，分別對應八行應變片。第三位表示所在的列數，從左到右進行編號。

單位：mm

3 試驗結果

3.1屈曲載荷包線

表6給出了不同壓剪比下的屈曲載荷，壓剪比 R 越大，壓縮臨界屈曲載荷越大，剪切臨界屈曲載荷越小。圖4給出了基于實驗結果的屈曲包線。復合材料加筋壁板的屈曲包線本質上是多模態失效（如局部屈曲、整體屈曲、脫粘)耦合的非線性響應曲線，本文通過多參數的自然底數指數模型對屈曲通過指數增長函數模型對壓縮屈曲包線和剪切屈曲載荷保險進行了數據擬合。

壓縮屈曲載荷擬合曲線方程為

P_{cr-compression}=-812×e^-R/1.5+818(R²=0.99861)

剪切屈曲載荷擬合曲線方程為

P_cr-shear=485×e^-R/2.5+79(R²=0.9998)°

3.2 屈曲試驗

由于幾種工況下的屈曲過程較為相似，本文以2:1壓剪比工況為例說明試驗過程中試驗件在壓剪復合載荷下的試驗現象。截面三和截面六應變片布置數量較多，能夠較好地對加載過程試驗件的應變變化進行監測。圖5(a(b)給出了復合材料加筋壁板的應變-載荷曲線和屈曲過程。從加載初期來看，加載過程中少量纖維發生斷裂產生輕微響聲，整體試樣無明顯變形。蒙皮正反面應變相差很小，表明試驗件承受均勻的壓縮載荷發生均勻的變形，應變隨載荷的增加不斷減小。當壓縮載荷加載至 600kN 時，截面三和截面六蒙皮背對背花片的壓縮應變出現明顯的“分叉\"現象，表明截面三和截面六蒙皮位置發生了明顯的屈曲現象。圖5(c(d)給出了加載過程中長桁上幾個背對背單片的應變-載荷曲線。在加載初期，應變變化規律基本與蒙皮一致，但在蒙皮發生屈曲時，長桁應變隨著載荷增加仍然保持著穩定的變化趨勢，表明在加載過程中長桁未發生屈曲。

3.3 破壞試驗

在壓剪復合破壞試驗工況中，試驗件發生屈曲前的現象與2:1屈曲載荷工況基本相同。如圖6(a）(b)所示。試驗件發生屈曲后繼續加載至壓縮載荷 630kN 剪切載荷 315kN 時，壁板蒙皮與長桁出現小范圍脫膠，觀測到響亮的撕裂聲，試驗件從蒙皮長桁共同承載轉變為長桁獨立承載，長桁應變出現較小幅度的波動，如圖 6(ρ_c)(ρ_d) 所示。隨著載荷的繼續增加，脫膠范圍逐漸擴大，加載至壓縮載荷為 870kN ，剪切載荷為435kN 時，試驗件發生巨大響聲，蒙皮與長桁發生大面積脫粘，5根長桁沿試驗件對角線發生折斷，試驗件失去承載能力，如圖7所示。破壞載荷約為屈曲載荷1.45倍。

4結論

本文基于自研的平直壁板壓剪試驗裝置，對不同壓剪比工況的復合材料加筋壁板進行了屈曲和破壞試驗，獲得了加筋壁板的屈曲性能包線。試驗結果表明：

1)各截面初始階段的載荷-應變曲線均為線性變 化，壁板承受均勻的壓縮和剪切載荷。隨著載荷的增 大，蒙皮的載荷-應變曲線依次出現非線性變化、且蒙 皮兩側背對背應變出現非線性背離趨勢，出現局部屈 曲現象。

2）臨界載荷隨壓剪比的降低也逐步衰減，形成了基于壓剪比的壓縮載荷和剪切載荷失效包線，壓縮屈曲載荷的指數模型為 P_{cr-compression}=-812×e^-R/1.5+818 ；剪切屈曲載荷的指數經驗模型為 P_cr-shear=485×e^-R/2.5+79 ；置信度均達到 99% 以上，取得了較好的擬合效果。

3)壓剪比為2:1的試驗過程中，破壞主要由蒙皮與長桁大面積脫粘引起，試驗件長桁沿對角線方向折斷，長桁和蒙皮大面積脫膠，上浮框扭曲變形，蒙皮斜45^° 方向嚴重劈絲，鼓包和褶皺明顯，后屈曲承載能力約為屈曲載荷的1.45倍。

參考文獻：

[1]ATEVENSK A，RICCI R，DAVIESG A O.Buckling andpost-buckling of compositestructures [J].Composites 1995，26(3): 189-199.

[2]KONG C W，LEEI C，CHUN-GON，et al.Post-bucklingand failure of stiffened composite panels under axial com-pression[J].Composite Structures，1998，42(1)：13-21.

[3] SHI G，XIONG Y. Probabilistic buckling analysis of fibermetal laminates under shear loading condition[J].AdvancesinEngineeringSoftware，2000，31(9)：519-527.

[4]馮宇，何宇廷，邵青，等.復合材料加筋板剪切屈曲特性研究[J].機械強度，2013，35(3)：288-291.

[5]王彬文，陳向明，鄧凡臣，等.飛機壁板復雜載荷試驗技術[J].航空學報，2022，43(3):024987.