高強(qiáng)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(jī)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(wèn)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(huì)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(wèn)題的復(fù)雜性；實(shí)際的薄壁梁屈曲承載特性影響因素很多，對(duì)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(jì)相比，由于材料強(qiáng)度的顯著提高，高強(qiáng)結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造會(huì)發(fā)生改變，甚至是突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所規(guī)定的

2、適用范圍，這就需要對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在更大的參數(shù)變化范圍內(nèi)的適用性進(jìn)行驗(yàn)證和完善以指導(dǎo)高強(qiáng)加筋薄壁梁設(shè)計(jì)。鑒于此，對(duì)高強(qiáng)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(jià)值。本文結(jié)合實(shí)際工程技術(shù)需求，綜合解析法、有限元法與試驗(yàn)法進(jìn)行了某典型高強(qiáng)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(jī)理，發(fā)展薄壁梁分析理論與方法，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)于橫向剪力作用下薄壁梁腹板屈曲問(wèn)題，與傳統(tǒng)的均勻腹板剪切假設(shè)相比，實(shí)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(jì)，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(gè)無(wú)量綱參數(shù)來(lái)表征翼緣彎曲剛度對(duì)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(shí)別分析，證實(shí)了腹板屈曲系數(shù)除了受腹板長(zhǎng)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(duì)比分析，探討了合理的腹板屈曲求解方法選取問(wèn)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(cè)值最大可以比實(shí)際值提高約一倍；當(dāng)相對(duì)翼緣彎曲剛度相同時(shí)方板比其它長(zhǎng)寬比矩形板更接近均勻受剪板；驗(yàn)證了屈曲系數(shù)隨兩個(gè)自變量（腹板長(zhǎng)寬比與相對(duì)翼緣彎曲剛度）的變化具有良好的規(guī)律性。最后，基于所驗(yàn)證的規(guī)律性，提出了一個(gè)實(shí)用的腹板屈曲系數(shù)計(jì)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(jì)公式研究。本文提取并定義了一個(gè)新的基本載荷分量，稱為純非均勻剪力，以此來(lái)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(dú)作用下腹板屈曲系數(shù)計(jì)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(jì)公式。本文基于有限元計(jì)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(jì)算公式。進(jìn)而，在此基礎(chǔ)上提出與仿真

6、計(jì)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(jì)公式。此外，利用有限元法對(duì)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(jiǎn)化方法的有效性進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明：利用傳統(tǒng)的載荷簡(jiǎn)化方法進(jìn)行長(zhǎng)寬比大于1的寬腹板屈曲計(jì)算可能會(huì)得到偏于危險(xiǎn)的計(jì)算結(jié)果。
　　進(jìn)行了彎剪載荷作用下某新型高強(qiáng)鋁合金加筋薄壁梁承載特性試驗(yàn)研究。與之前的薄壁梁承載試驗(yàn)研究相比，本試驗(yàn)研究最顯著的成果為揭示了一種新的針對(duì)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(huì)受到由加強(qiáng)筋隔開的其它板元的顯著影響。傳統(tǒng)研究認(rèn)為：加強(qiáng)筋能夠發(fā)揮隔波作用，因而進(jìn)行局部板元承載力計(jì)算時(shí)無(wú)需考慮被加強(qiáng)筋隔開的其它板元的影響。本試驗(yàn)研究表明了傳統(tǒng)認(rèn)知的局限性，拓展了對(duì)結(jié)構(gòu)承載機(jī)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(yàn)裝置設(shè)計(jì)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(jì)）與約束條件對(duì)試驗(yàn)?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(duì)試驗(yàn)?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(gè)方面進(jìn)行了有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了所創(chuàng)建的兩個(gè)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(guò)仿真分析探索了試驗(yàn)研究所發(fā)現(xiàn)的加筋薄壁梁板元相互作用的發(fā)生機(jī)理。然后，進(jìn)行了參數(shù)化分析研究以深化對(duì)板元相互作用的認(rèn)知，探討了材料屈服強(qiáng)度對(duì)薄壁梁板元相互作用的影響規(guī)律；揭示了梁腹板構(gòu)造