复合材料梯形波纹腹板层压梁刚度和屈曲特性分析

摘要

先进复合材料具有比强度和比模量高、铺层可设计性好和易于整体成形等许多优异特性,已广泛的应用于航空航天领域。层压梁是复合材料结构中常见的受力构件,如翼面结构中的大梁、翼肋,机身结构中的纵向梁等。复合材料层压梁腹板设计成波纹形状,不仅重量轻、刚度大且稳定性好。由于工程中所采用的翼面结构大梁和机身纵向梁等层压梁结构腹板高度较高,在结构服役过程中,必须保证其有足够的刚度同时具有较高的抗屈曲性能。因此,研究复合材料层压梁结构的刚度和屈曲特性对实际工程设计是很有意义的。rn 本文运用Abuqus有限元软件,对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP )梯形波纹腹板层压梁(长宽高分别为800mm、70mm、475mm)进行了有限元建模分析。由于梯形波纹腹板在实际工程中主要承剪,因此,本文主要开展了在受剪工况下梯形波纹腹板层压梁的剪切刚度和屈曲特性问题的研究。同时,本文进一步研究了四种基本载荷形式和四种约束不同自由度的约束条件对梯形波纹腹板梁剪切刚度和稳定性的影响。K=F/γ (1)式中:F为腹板所受外力的合力;γ为腹板角应变,K为层压梁梯形波纹腹板剪切刚度;rn 分析结果表明:加载方式对结构剪切刚度影响较大,梁翼缘板面上加均布力腹板剪切刚度值最大,腹板横截面上加剪力腹板剪切刚度值最小;同时,约束最弱的单一位移约束条件下计算得到的剪切刚度最小,约束最强的梁端面固定约束条件下计算得到的剪切刚度最高,固定约束剪切刚度约为单一位移约束的2.5倍。梯形波纹腹板层压梁结构失稳模式主要为在靠近加载边或靠近约束边区域,结构的上下两平腹板首先发生局部屈曲失稳,最终导致结构破坏。结构在固支边界条件下得到的屈曲载荷最大,其它三种边界条件得到的屈曲载荷均很接近。加集中力在固定约束条件下屈曲载荷约为单一位移约束下屈曲载荷的2.2倍。