高強鋁合金加筋薄壁梁屈曲與極限承載特性研究.pdf

1、鋁合金加筋薄壁梁是飛機結(jié)構(gòu)的主承力構(gòu)件，其靜力破壞主要是由于結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)造成的。薄壁梁屈曲問題涉及復(fù)雜的幾何非線性與材料非線性相互作用，難以進(jìn)行解析求解；薄壁梁的結(jié)構(gòu)形式往往復(fù)雜多變，這會引發(fā)復(fù)雜的局部-整體相互作用，進(jìn)一步增加了屈曲問題的復(fù)雜性；實際的薄壁梁屈曲承載特性影響因素很多，對其進(jìn)行合理的力學(xué)建模也面臨諸多挑戰(zhàn)。此外，與傳統(tǒng)加筋薄壁梁設(shè)計相比，由于材料強度的顯著提高，高強結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造會發(fā)生改變，甚至是突破傳統(tǒng)設(shè)計方法所規(guī)定的

2、適用范圍，這就需要對傳統(tǒng)設(shè)計方法在更大的參數(shù)變化范圍內(nèi)的適用性進(jìn)行驗證和完善以指導(dǎo)高強加筋薄壁梁設(shè)計。鑒于此，對高強鋁合金加筋薄壁梁屈曲承載特性進(jìn)行研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。本文結(jié)合實際工程技術(shù)需求，綜合解析法、有限元法與試驗法進(jìn)行了某典型高強鋁合金加筋薄壁梁的彎剪承載特性研究，意在深入地探索薄壁梁承載機理，發(fā)展薄壁梁分析理論與方法，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的改進(jìn)提供參考，主要工作包括以下內(nèi)容：
　　之前文獻(xiàn)的定性研究已經(jīng)

3、表明，對于橫向剪力作用下薄壁梁腹板屈曲問題，與傳統(tǒng)的均勻腹板剪切假設(shè)相比，實際的非均勻剪應(yīng)力分布可能極大地降低腹板屈曲承載力。為了將腹板非均勻剪應(yīng)力分布效應(yīng)納入工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)行了端部橫向剪力作用下薄壁梁腹板的屈曲承載特性定量分析研究。提出了一個無量綱參數(shù)來表征翼緣彎曲剛度對腹板非均勻剪應(yīng)力分布的影響。利用Rayleigh–Ritz法進(jìn)行腹板屈曲載荷影響參數(shù)識別分析，證實了腹板屈曲系數(shù)除了受腹板長寬比影響外還與翼緣彎曲剛度有關(guān)。進(jìn)而，進(jìn)

4、行了Rayleigh–Ritz法與有限元法的對比分析，探討了合理的腹板屈曲求解方法選取問題。利用優(yōu)選出的有限元模型進(jìn)行了腹板屈曲參數(shù)化分析，結(jié)果表明，傳統(tǒng)均勻剪切屈曲預(yù)測值最大可以比實際值提高約一倍；當(dāng)相對翼緣彎曲剛度相同時方板比其它長寬比矩形板更接近均勻受剪板；驗證了屈曲系數(shù)隨兩個自變量（腹板長寬比與相對翼緣彎曲剛度）的變化具有良好的規(guī)律性。最后，基于所驗證的規(guī)律性，提出了一個實用的腹板屈曲系數(shù)計算公式。
　　進(jìn)行了端部橫向剪力

5、與彎矩共同作用下薄壁梁腹板屈曲承載力設(shè)計公式研究。本文提取并定義了一個新的基本載荷分量，稱為純非均勻剪力，以此來考慮腹板中非均勻剪切應(yīng)力的影響。這樣，腹板受力可以視為均勻剪力、非均勻剪力和彎矩三種載荷的疊加。在之前的研究中已經(jīng)得到每種載荷單獨作用下腹板屈曲系數(shù)計算方法與均勻剪力-彎矩復(fù)合載荷作用下腹板屈曲承載力設(shè)計公式。本文基于有限元計算結(jié)果，提出了非均勻剪力分別與其它兩種載荷共同作用下腹板屈曲承載力計算公式。進(jìn)而，在此基礎(chǔ)上提出與仿真

6、計算結(jié)果吻合良好的全部三種基本載荷聯(lián)合作用下腹板屈曲相互作用設(shè)計公式。此外，利用有限元法對工程中常用的將橫向剪力處理為均勻剪切與彎矩共同作用的載荷簡化方法的有效性進(jìn)行了評估，結(jié)果表明：利用傳統(tǒng)的載荷簡化方法進(jìn)行長寬比大于1的寬腹板屈曲計算可能會得到偏于危險的計算結(jié)果。
　　進(jìn)行了彎剪載荷作用下某新型高強鋁合金加筋薄壁梁承載特性試驗研究。與之前的薄壁梁承載試驗研究相比，本試驗研究最顯著的成果為揭示了一種新的針對加筋薄壁梁的局部板元承

7、載特性相互作用，即薄壁梁中組成板元的承載特性還會受到由加強筋隔開的其它板元的顯著影響。傳統(tǒng)研究認(rèn)為：加強筋能夠發(fā)揮隔波作用，因而進(jìn)行局部板元承載力計算時無需考慮被加強筋隔開的其它板元的影響。本試驗研究表明了傳統(tǒng)認(rèn)知的局限性，拓展了對結(jié)構(gòu)承載機理的理解。首先，進(jìn)行了能夠滿足特定加載要求的裝夾、加載試驗裝置設(shè)計研究。然后，探討了不同構(gòu)造參數(shù)（包括腹板開口和止裂筋設(shè)計）與約束條件對試驗?zāi)Ｐ偷臉O限載荷與破壞模式的影響，最后考察了初始缺陷對試驗?zāi)?/p>

8、型承載特性的影響。
　　進(jìn)行了彎剪載荷作用下加筋薄壁梁承載特性的非線性仿真研究。首先，從破壞模式、極限載荷與總體承載響應(yīng)三個方面進(jìn)行了有限元計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果的對比分析，驗證了所創(chuàng)建的兩個有限元模型能夠很好地模擬相互作用所導(dǎo)致的承載特性差異。通過仿真分析探索了試驗研究所發(fā)現(xiàn)的加筋薄壁梁板元相互作用的發(fā)生機理。然后，進(jìn)行了參數(shù)化分析研究以深化對板元相互作用的認(rèn)知，探討了材料屈服強度對薄壁梁板元相互作用的影響規(guī)律；揭示了梁腹板構(gòu)造