复合材料加筋壁板设计、分析与试验

复合材料加筋壁板设计、分析与试验研究
摘要由于复合材料加筋壁板结构具有整体成型性好、承载效率高、连接件数量少等诸多优势，所以在直升机/飞机的结构上获得了广泛的应用。

本文主要针对典型纵向加筋壁板开展了设计、分析、工艺及试验研究，采用理论分析和试验研究相结合的方法，对两种典型加筋壁板的承载能力进行分析和验证。

研究表明，在重量相同的情况下，T型加筋壁板比泡沫填充帽型加筋壁板有更高的承载能力。

研究中开发应用了全新的复合材料非线性屈曲分析方法，为复合材料加筋壁板结构承载能力预测提供了一种新途径。

研究成果为复合材料加筋壁板的设计提供了依据，为复合材料在未来中、重型直升机主承力结构上的应用储备了技术。

关键词：复合材料设计；加筋壁板；非线性屈曲；层压壁板；泡沫填充
Key words The design of composite , stiffened panel, nonlinear buckling, laminated panels, foam filled
1 引言
先进复合材料在直升机/飞机结构上得到了广泛的应用，有效地减轻了结构重量，提高了其技战术性能。

采用先进复合材料的程度已成为衡量航空武器装备是否先进的重要标志之一。

国外军用飞机复合材料的用量占结构总重量的25%～40%左右，民机达10%～50%，直升机则高达60%以上，甚至出现了全复合材料的轻型直升机。

国内复合材料在航空武器装备上的应用，已从试用逐步转向批量生产，在研型号、在役改进型均将扩大复合材料用量。

在传统的航空航天结构中，由金属蒙皮及纵横向加强件构成的壁板是最常见的结构件，随着碳纤维、芳纶、玻璃纤维及高性能树脂等材料工业及制造技术的进步，复合材料已逐步进入航空航天领域，成为金属材料的替代品，其发展过程又经历了从次要结构到主要结构，从玻璃纤维增强材料到碳纤维、芳纶增强材料，从军用飞机到民用飞机。

层压壁板是应用最普遍的结构件之一，如F-16垂尾壁板、AV-8B机翼与水平尾翼壁板、F-18垂尾壁板，民用飞机Boeing737平尾壁板、L-1011垂尾壁板，A320平尾及垂尾壁板及ATR72机翼壁板等。

复合材料层压壁板类型很多，可以按照不同的方法进行分类：
1)按应用部件，可分为机翼壁板、尾翼壁板、机身壁板、舱门壁板等；
2)按形状特征，可分为单曲度壁板（如机翼、尾翼壁板）、双曲度壁板等；
3)按结构形式，可分为单向加筋板、格栅壁板、多腹板壁板等；
在翼面壁板中，多数为单向加筋板，只有纵向加筋条的壁板，如Boeing737平尾壁板、A320襟翼壁板等。

格栅壁板的纵、横向筋条与蒙皮一起，一次固化成形，结构整体性好；壁板外表面光整，只有少数与周边骨架相连的紧固件孔，减少了零件数量和总装工作量；重量轻，但制造起来相当复杂，在工艺上要开展必要的研究。

与传统的金属壁板相比，层压壁板有下列优点：
1)层压壁板设计更容易发挥设计师的创造性，设计师可通过良好的铺层裁剪及铺层结构设计，实现
强度、刚度、重量、性能及生产性的统一；
2)结构的总体和局部刚度好，减少了连接铆钉的数量，且蒙皮不易失稳，机翼表面更加光滑；
3)便于密封，减少了密封材料的用量，为整体油箱提供了有利条件；
4)生产流程减少，整体式复合材料加筋壁板的蒙皮与长桁连接可以通过共固化和二次胶接来完成，
大大减少了连接件的数量，减少了装配工作量，同时减少了应力集中和铆钉孔对壁板截面的削弱，减轻了连接件本身的重量。

由于复合材料壁板结构具有诸多优势，所以在飞机的机翼结构、尾翼结构、机身上常采用复合材料薄壁结构、薄壁/加筋结构等板壳结构。

当飞机飞行或着陆过程中这些结构要承受压缩、剪切、扭
转和弯曲载荷，当它们承受这些载荷时，最常见的失效模式为丧失稳定性。

为了保证结构的使用安全，需要根据结构的受力特点进行详细设计和分析，并通过一定的试验进行验证。

国际上较早就开展了复合材料加筋壁板的应用研究，在多个型号上获得了应用，国内也已开展研究，但研究成果还不太成熟，有必要进一步开展研究。

本文主要针对典型纵向加筋壁板开展了设计、分析、工艺及试验研究，采用理论分析和试验研究相结合的方法，对两种典型加筋壁板的承载能力进行分析和验证，为复合材料加筋壁板的设计、制造提供了依据。

通过研究，获得多项科研成果为复合材料在未来中、重型直升机主承力结构上的应用储备了技术。

2 加筋壁板结构设计
2.1 典型纵向加筋壁板结构形式
工程上常用的复合材料纵向加筋壁板剖面形式见图1，不同的剖面形式及结构参数具有不同的承载能力。

2.2 加筋壁板结构参数
为了验证整体加筋壁板的设计概念，考核其工艺成型方法和承载能力，本文针对两种典型的壁板进行研究，首先运用工程经验法，根据结构承受的载荷，进行了层压壁板的初步设计，设计重点是剖面形状、筋条间距、加筋高度、结构铺层等。

层压壁板结构简图见图2。

1)泡沫填充帽形加筋的整体壁板
2)T型加筋的整体壁板
图2 泡沫填充帽形加筋及T型加筋的整体壁板结构简图
3 加筋壁板承载能力分析
复合材料加筋壁板主要承受面内拉、压及剪切载荷，其中剪切失稳是其中一种主要破坏模式，为了考核不同壁板的承载能力，本文运用大型有限元前处理程序MSC/PATRAN建立了复合材料壁板
有限元模型，运用大型有限元程序MSC/NASTRAN，采用非线性屈曲分析方法进行复合材料壁板剪切稳定性分析。

T型加筋整体壁板有限元模型图见图3，位移云图及壁板中心点力-位移曲线见图4。

通过有限元分析，获得了两种形式壁板失稳载荷及最终破坏载荷，结果见表2。

图3 T型加筋整体壁板有限元模型图
图4 T型加筋整体壁板位移云图及加筋整体壁板中心点力-位移曲线
4 加筋壁板承载能力试验研究
4.1 试验规划及试验过程
为了验证整体加筋壁板的设计概念，考核其工艺成型方法和剪切稳定性，开展了加筋壁板在剪切载荷下的承载能力试验研究，表1为试验规划。

图5为试件应变、位移测量点布置及试验安装图，图6为 A1件失稳及破坏照片，试件失稳载荷及破坏载荷见表2。

表1 试验规划
图5 试件应变、位移测量点布置及试验安装图
图6 A1件失稳照片及破坏照片
4.2 试验结果分析
加筋壁板剪切试验结果见表2，图7为加筋壁板剪切试验结果柱型图。

从表2和图7可以看出，在重量相当的情况下，T型加筋壁板的抗失稳能力和最终破坏载荷都高于泡沫填充帽形整体加筋壁板，
分析和试验结果都证明了这一点。

表2 试件失稳载荷及破坏载荷
图7 加筋壁板剪切试验结果柱型图
5 结语
本文通过分析和试验相结合的方法，开展了两种典型加筋壁板承载能力研究，研究结果表明加筋壁板的承载能力与结构的形式有直接关系，在进行加筋壁板设计时必须进行详细分析，并通过部分试验进行验证。

本文在研究中首次采用复合材料非线性屈曲方法进行了壁板承载能力分析，通过分析，既可以显示初始失稳的发生，也可以预测结构最终的承载能力，证明其是一种有效的分析方法。

本文的研究成果为复合材料层压壁板的设计提供了依据，提升了复合材料应用技术水平，为未来复合材料在中、重型直升机上的应用打下了技术基础。

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