复合材料受剪梁腹板稳定性试验及数值分析

尹剑

摘 要：复合材料在民机中的运用范围逐渐由非主承力结构向主承力结构过渡。以某型民机水平安定面复合材料后梁腹板为研究对象，针对不同的腹板开口形式，通过静力试验与有限元分析相结合的方式，研究复合材料梁腹板在剪切载荷作用下的稳定性问题，经过比较，有限元分析的结果与静力试验结果较为吻合，并从试验结果中得到了复合材料梁腹板结构的后屈曲能力。

关键词：开口 复合材料 梁腹板 稳定性 有限元

中图分类号：V22 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0063-02

复合材料由于较大的比强度及比刚度的特点，被广泛应用于航空航天领域，在飞机上的应用范围也逐步由整流罩等非主承力结构向机翼、尾翼等主承力结构过渡。某型民机采用T800级复合材料作为水平安定面复合材料梁结构的主要材料。与金属梁结构类似，复合材料梁腹板经常会由于工艺安装、减重等方面的需求，在腹板上进行各种尺寸的开口。根据开口目的及具体位置的不同，开口形状分为圆形、长圆形及菱形等。由于开口切断了腹板的连续纤维，同时在孔边形成高应力区，直接降低开口区腹板结构在静强度及疲劳强度[1]方面的性能。

该文以某型民机水平安定面复合材料后梁受剪腹板为研究对象，选取后梁腹板某处典型位置的铺层、几何尺寸，通过工程分析方法与有限元分析相结合的方式研究受剪腹板的稳定性问题，并进行了相应结构的剪切稳定性试验，试验结果表明理论分析与试验具有较高的一致性。

1 梁腹板剪切稳定性试验

梁腹板剪切稳定性试验件考核区长340 mm，宽280 mm，腹板的铺层为[45/-45/0/45/0/-45/90/45/0/-45]s，单层厚度0.188 mm，共20层，厚度为3.76 mm，腹板材料为T800级单向带，单层厚度0.188 mm。试验件共四组，在无开口梁腹板试验件的基础上，增加梁腹板小菱形开口、大菱形开口以及圆形开口三组的试验件，考虑复合材料的分散性，每组试验件各6件，无开口试验件的结构示意图如图1所示。

通过施加对角拉伸载荷对梁腹板试验件进行剪切稳定性试验。试验件的短边粘贴2 mm厚度玻璃纤维补强板，装载至250 t级MTS静力试验机，通过一端夹持一端加载的方式进行试验，加载速率为2 mm/min。

2 有限元分析简介

以梁腹板稳定性试验件为基础，利用PATRAN进行建模，试验件所用材料T800级材料的力学性能如表1所示。梁腹板结构采用壳元（PSHELL）进行模拟，单元类型为QUAD4单元，模型边界施加简支约束，以模拟实际结构中梁腹板的边界条件，并在四个边施加单位载荷。提交NASTRAN进行SOL105屈曲模块进行求解，得到梁腹板的初始屈曲载荷。

3 有限元分析与试验结果对比分析

3.1 屈曲波形对比

根据有限元分析和剪切稳定性试验分别得到试验件的屈曲波形，分析得到两种方法得到的波形基本相同。以无开口梁腹板试验件为例，如图2所示。

从图2中可以看出，剪切屈曲波均为沿对角拉伸方向，最终试验件的破坏模式也与预期破坏模式相符，均为沿对角拉伸方向腹板剪切失稳破坏。

3.2 初始屈曲载荷对比

根据有限元分析和剪切稳定性试验分别得到试验件的初始屈曲载荷，如表2所示。从表2中的数据可以看出，有限元分析得到的结果与试验结果相当接近。

3.3 后屈曲研究

复合材料结构往往具有一定的后屈曲能力，即结构在进入屈曲后仍能承受载荷直至最终破坏。从试验结果可以得到四种结构的梁腹板试验件的后屈曲能力，如表3所示，从表中可知复合材料梁腹板结构具有较强的后屈曲能力。

4 结语

通过对复合材料梁腹板结构进行有限元分析以及稳定性试验，对两种分析结果进行对比，得到如下结论：

通过有限元分析得到的受剪腹板的剪切屈曲波形与试验结果较为一致，理论初始屈曲载荷与试验值符合较好；

复合材料梁腹板在剪切载荷下具有较强的后屈曲能力，在结构设计中可以考虑此特性，达到结构减重的目的。

参考文献

[1] 赵伟栋，李卫芳.碳/KH-304复合材料构件开口补强技术研究[J].宇航材料工艺， 2003（1）：40-52.endprint