高強(qiáng)鋁合金加筋薄壁梁屈曲承載特性的實(shí)驗(yàn)研究

陳希湘　魏科豐　王凱

摘 要：鋁合金加筋薄壁梁是飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的承力部件，它的靜力主要由結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)而引起的。薄壁梁的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，它的屈曲問題關(guān)聯(lián)到幾何非線性和材料非線性的相互作用，解析時(shí)有相當(dāng)?shù)碾y度。影響薄壁梁屈曲承載特性的因素有許多，在對(duì)它建立力學(xué)模塊時(shí)也有著許多的挑戰(zhàn)。文章結(jié)合實(shí)際工作中技術(shù)需求，綜合分析了高強(qiáng)鋁合金加筋薄壁梁的承載特性，探討了薄壁梁的承載原理。

關(guān)鍵詞：加筋薄壁梁；承載；屈曲

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.009

與傳統(tǒng)的薄壁梁相比，新的薄壁梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度更高，幾何構(gòu)造發(fā)生變化，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行適用性研究，以更好的完善和加強(qiáng)薄壁梁的設(shè)計(jì)。隨著薄壁梁構(gòu)件在工程中的大量的使用，客觀上要求人們改進(jìn)它的結(jié)構(gòu)，使得它有著更好的承載特性，以滿足各個(gè)方面的要求。對(duì)高強(qiáng)鋁合金薄壁梁屈曲承載特性的研究有著重大的理論價(jià)值和實(shí)際工程意義。

1 薄壁梁研究的實(shí)際意義

目前的實(shí)際工程應(yīng)用中，薄壁梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常廣泛。我們可以在建筑業(yè)、海洋工程以及航空領(lǐng)域等見到它的身影。薄壁梁結(jié)構(gòu)指的是單個(gè)薄板和多個(gè)薄板組成的復(fù)雜體系，它能實(shí)現(xiàn)特定的功能。高強(qiáng)度的材料是薄壁梁發(fā)展的一個(gè)前提，材料性能提升使得薄壁梁技術(shù)飛速發(fā)展。因?yàn)楸”诹憾嘧兊慕Y(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性，它常常能起到很好的承載效率，薄壁梁作為航天飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。薄壁結(jié)構(gòu)的面外彎曲剛度具有局限性，它的靜力實(shí)效是組成板發(fā)生外屈曲導(dǎo)致的。薄壁梁屈曲特性還需要進(jìn)一步的研究。結(jié)構(gòu)屈曲是在載荷增加到一定程度后導(dǎo)致的剛度減弱現(xiàn)象，這個(gè)載荷值稱為結(jié)構(gòu)屈曲荷載。荷載值的極限稱為結(jié)構(gòu)極限載荷，它的研究對(duì)結(jié)構(gòu)減重的設(shè)計(jì)有著非比尋常的意義。薄壁梁受到外部載荷的作用，它的穩(wěn)定性和強(qiáng)度的極限值是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，研究的方向包括薄壁梁在不同載荷下狀態(tài)和極限系數(shù)；承載能力和不同的破壞形式之間造成的結(jié)構(gòu)屈曲模式以及薄壁梁屈曲后的強(qiáng)度和再次利用等。

2 薄壁梁結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度的研究

2.1 薄壁梁結(jié)構(gòu)彈性分析

薄壁結(jié)構(gòu)的彈性曲面包括屈曲載荷和相應(yīng)的屈曲模態(tài)兩個(gè)方面。屈曲承載和屈曲模態(tài)能真實(shí)的反映承載能力，在極限強(qiáng)度公式里，屈曲載荷通常作為一個(gè)參數(shù)，屈曲模式在非線性破壞中用來表示初始缺陷。彈性屈曲作為薄壁梁結(jié)構(gòu)研究的重要方面，在實(shí)行分析彈性屈曲時(shí)有三種方法，包括靜力平衡、能量法以及有限元方法。

（1）靜力平衡是研究薄板屈曲的基礎(chǔ)方式，薄板屈曲在中面載荷作用下發(fā)生彎曲變性，從而引起薄板中面分布變化。

（2）有限元方法在求解屈曲問題時(shí)較為常用，它的求解過程相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在不受結(jié)構(gòu)型式過多的限制。薄壁結(jié)構(gòu)通常是多變的，有限元法可以對(duì)這些多變結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行有效的求解。有限元法的求解已經(jīng)非常成熟，幾乎可以用它對(duì)所有的薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但有限元法的解答過程有些繁瑣，在實(shí)際的應(yīng)用中，我們需要更加簡(jiǎn)單的公式來進(jìn)行薄壁結(jié)構(gòu)彈性屈曲研究。

2.2 腹板開口情況下

在薄壁梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)遇到腹板開口的情況。在薄壁梁結(jié)構(gòu)上開口有著兩方面的意義，一是因?yàn)椴糠纸Y(jié)構(gòu)板件在設(shè)計(jì)時(shí)要求非常嚴(yán)格，板的厚度要達(dá)到一定數(shù)值，且結(jié)構(gòu)質(zhì)量不必過高，此時(shí)選擇在板件上進(jìn)行開口就能解決此類要求；二是要滿足特定的結(jié)構(gòu)要求，必須流出通道。開口程度大小不同分為三類，小開口、中開口和大開口。開口的大小程度能影響到結(jié)構(gòu)特性，影響到結(jié)構(gòu)的承載能力，薄壁梁開口會(huì)嚴(yán)重影響到其結(jié)構(gòu)的承載能力。

2.3 彎剪載荷下薄壁梁承載能力

彎剪載荷的作用在多跨連續(xù)梁和懸臂梁中，剪力和載荷的共同作用使得壁梁的承載力變得較低，彎剪載荷的承載能力也是薄壁梁研究中的一個(gè)方向。彎剪承載實(shí)效有兩種情況，一個(gè)是結(jié)構(gòu)實(shí)效前就發(fā)生了屈曲，另外一種是在結(jié)構(gòu)實(shí)效后發(fā)生。當(dāng)其中一種載荷遠(yuǎn)大于令一種時(shí)可采用主要載荷的承載能力計(jì)算強(qiáng)度。

3 結(jié)構(gòu)缺陷

不同的設(shè)計(jì)方法制作出不同結(jié)構(gòu)和不同承載能力薄壁梁，這些薄壁梁在實(shí)際的工程應(yīng)用中會(huì)暴露出各種各樣的缺陷。薄壁梁因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特殊，它的面外剛度較弱，這樣的結(jié)構(gòu)是有缺陷的，導(dǎo)致薄壁梁降低了自身的承載能力。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分考慮到薄壁梁的這些結(jié)構(gòu)缺陷，不然會(huì)得到比實(shí)際較大的預(yù)測(cè)值，這個(gè)數(shù)值可能遠(yuǎn)大于本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。薄壁量的結(jié)構(gòu)存在著缺陷，這種結(jié)構(gòu)對(duì)缺陷有一定的敏感性，目前的研究正在致力于解決這一問題。

薄壁梁的結(jié)構(gòu)缺陷可以分為兩種，一種是幾何缺陷，另一種是殘余應(yīng)力。當(dāng)薄壁梁的寬厚程度較大時(shí)，殘余應(yīng)力容易容易轉(zhuǎn)化幾何缺陷，從而進(jìn)行釋放。殘余應(yīng)力對(duì)薄壁梁的結(jié)構(gòu)承載特性干預(yù)不大，有時(shí)候甚至可以忽略不計(jì)。

總而言之，薄壁梁的形式非常多變，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在發(fā)生屈曲破壞時(shí)的過程也多種多樣。薄壁梁在整體結(jié)構(gòu)破壞之前可能會(huì)先發(fā)生局部屈曲破壞，同樣會(huì)引起薄壁梁失去承載的能力，因此研究薄壁梁的問題就變得相對(duì)復(fù)雜。影響薄壁梁的因數(shù)還有一些其他的外界條件，如外界的約束條件和受力環(huán)境等，外界約束相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)際工程中的承載環(huán)境更加復(fù)雜，在建立模型方面也需要許多創(chuàng)新。

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項(xiàng)目資助：湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目（B2017435）資助