CN105277435A - 复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性试验技术领域，具体涉及一种复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法。本发明利用电阻应变计、三维数字散斑相关法与有限元相结合的方法获得了结构屈曲载荷、结构屈曲分叉点、结构整体的屈曲模式等。本次试验相对变形测试误差控制在0.01％以内，满足工程试验研究需要。本发明完全满足测试区域面积为1m×1m左右的复合材料加筋曲板的轴压稳定性测试分析；同时对类似大型结构的稳定性问题的测试分析具有指导、参考意义，有一定的通用性。
Description
技术领域
本发明属于复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性试验技术领域，具体涉及一种复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法。
背景技术
由于复合材料加筋结构具有比刚度大、比强度高、可设计性好等特点，已经成为航空航天结构部件的首选方案。复合材料加筋结构的失效形式通常为屈曲失稳。然而复合材料自身的一些缺点例如加工工艺要求高、对材料自身的缺陷敏感度高等，使得对于复合材料加筋结构的稳定性问题研究变得极为复杂。目前对于加筋复合材料结构稳定性的研究，主要采取试验结合有限元分析的方式进行。由于数值模拟可以获得结构全场的屈曲失稳变形情况，因此很多学者在有限元分析方面对加筋复合材料结构稳定性进行了大量的研究。相对与数值模拟，传统的试验测试方法主要为点对点式，无法获得结构的整体变形情况。同时，虽然国内外对于加筋复合材料结构稳定性的研究已经颇多，但都局限于小尺寸情况，对于大的结构尺寸情况，由于结构的非线性效应使得一些基本的理论解具有一定的误差。因此，研究发展复合材料薄壁加筋结构稳定性测试分析技术不仅是对现有分析测试技术的补充，同时也是亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于针对目前复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性研究方法的不足，提出了一种复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法，包括如下步骤：
步骤一：试验件安装：试验件为复合材料加筋曲板，曲板的上下两端连接上下边界，将曲板的下边界固定安装在试验机平台上，上边界处于自由状态，试验中通过试验机上压板接触上边界后进行轴压试验；
步骤二：试验前测试准备：安装连接测试传感器，安装调试测试设备；本试验中，同时采用电阻应变计和三维数字散斑相关方法测试结构变形；在安装试验件之后布置粘贴电阻应变计并进行导线连接，电阻应变计测试位置为蒙皮和桁条区域，并且所有应变测点均为正反面对应分布；在粘贴完电阻应变计并连接导线后，利用三维数字散斑相关方法测量结构的整体失稳变形信息，在试验件表面喷涂散斑漆，并通过三脚架将测试装置固定在测试位置，喷涂散斑时先喷涂一层白色底漆，之后再喷涂黑色散斑漆；
步骤三：对两个试件屈曲载荷的实测值和理论值进行分析：对于试件P1和P2实测值和理论计算值有一定差距，采用有限元方法进行数值模拟，模拟过程同时采用了理想的结构模型和加入一阶模态缺陷的结构模型两种；
步骤四：对两试件的载荷应变结果进行分析；
步骤五：对两试件的载荷变形结果进行分析；
步骤六：对两试件的变形测试结果及计算结果进行分析。
所述曲板的尺寸为1m×0.85m，曲板的边界通过与方形铝合利用环氧树脂金粘接而成，试验机的加载能力选择200吨，加载速率设置为1mm/min。
所述应变计分布为：每个桁条上竖直方向均匀分布5个应变计，间距为160mm，中间桁条上的中间3个应变计处各增加4片；蒙皮处沿竖直方向的应变计均匀分布5片，其中第2、3应变计之间均匀增加2个应变计。
所述步骤四对两试件的载荷应变结果进行分析：首先，蒙皮上内外两侧的应变测点在结构发生屈曲时的应变曲线发生明显的分叉现象，而桁条上测点的应变曲线形状则相对一致，说明结构发生屈曲变形主要位于结构蒙皮，而对桁条的变形影响相对很弱；其次，结构发生初始屈曲之后，桁条上测点的载荷应变曲线斜率减小，说明桁条结构的刚度有所下降；第三，通过载荷应变曲线可获得结构的屈曲失稳载荷，在载荷应变曲线分叉点时刻即为结构屈曲时刻，由此可得P1(半径1645mm)，P2(半径1000mm)两结构的初始屈曲载荷分别为430kN和620kN；第四，曲板P1、P2的强度载荷分别为964kN和1094kN；由上述分析知，本试验中P2相对与P1的初始屈曲和后屈曲载荷分别提高了44％和13％，说明复合材料加筋曲板轴压稳定性受曲板半径影响较大，在一定范围内其半径越小则稳定性越高。
所述步骤五对两试件的载荷变形结果进行分析：在初始的线性压缩阶段，两试验件的变形整体较为均匀，只是桁条和蒙皮在整体上有较小的差异；进入结构初始屈曲后，蒙皮变形则会发生较大变化，P1，P2蒙皮均出现了较为规则的屈曲失稳波，结构加载端的失稳波相对于固定端出现要早，并且加载端的失稳波变形整体较大，说明结构失稳的起始位置位于曲板的加载端，终止于固定端；结构的后屈曲和破坏过程是结构的软化过程，在临近破坏时的P1，P2变形场已不再均匀，并出现大面积的同向变形，说明此时结构已经软化，并在软化区域发生了破坏。
所述步骤六对两试件的变形测试结果及计算结果进行分析：首先，对于试件P1最大离面位移来讲，测量结果与计算结果有一定的差异，最大差别约3.5mm，但是P2最大离面位移的测试结果与计算结果较为接近；其次，由两种不同方式所得结果来看，两者获得的结构屈曲模式相同，失稳波数及分布位置也较为一致，说明利用两种方式结合分析复合材料薄壁加筋结构稳定性可以获得一致性的结果；而两种方法结合则可以分别从试验前的预示和试验过程中变形检测两个不同方面对结构进行分析，从而可以获得比以往的分析方法更为全面和可靠的分析结果。
本发明所取得的有益效果为：
本发明利用电阻应变计、三维数字散斑相关法与有限元相结合的方法获得了结构屈曲载荷、结构屈曲分叉点、结构整体的屈曲模式等。本次试验相对变形测试误差控制在0.01％以内，满足工程试验研究需要。本发明完全满足测试区域面积为1m×1m左右的复合材料加筋曲板的轴压稳定性测试分析；同时对类似大型结构的稳定性问题的测试分析具有指导、参考意义，有一定的通用性。
附图说明
图1为本发明所提供的复合材料试验件整体尺寸示意图；
图2为试验件帽形件剖面尺寸示意图；
图3为应变测点布置示意图；
图4为结构表面散斑喷涂情况示意图；
图5为试验实施情况示意图；
图6为计算及实测载荷对比曲线图；
图7为载荷应变曲线图；
图8为载荷及全场测量变形结果演化图；
图9为测量结果与计算结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所述复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法包括如下步骤：
步骤一：试验件安装。试验件为复合材料加筋曲板，曲板的上下两端连接上下边界，将曲板的下边界固定安装在试验机平台上，上边界处于自由状态，试验中通过试验机上压板接触上边界后进行轴压试验。本试验发明中，曲板的尺寸为1m×0.85m，曲板的边界通过与方形铝合利用环氧树脂金粘接而成，试验机的加载能力选择200吨，加载速率设置为1mm/min；
步骤二：试验前测试准备。安装连接测试传感器，安装调试测试设备。本试验中，同时采用了电阻应变计和三维数字散斑相关方法测试结构变形。在安装试验件之后布置粘贴电阻应变计并进行导线连接，电阻应变计测试位置为蒙皮和桁条区域，并且所有应变测点均为正反面对应分布，应变测点分布图见图3。每个桁条上竖直方向均匀分布5个应变计，间距为160mm，中间桁条上的中间3个应变计处各增加4片。蒙皮处沿竖直方向的应变计均匀分布5片，其中第2、3应变计之间均匀增加2个应变计。在粘贴完电阻应变计并连接导线后，利用三维数字散斑相关方法测量结构的整体失稳变形信息，在试验件表面喷涂散斑漆，并通过三脚架将测试装置固定在测试位置，结构喷涂散斑情况见图4，喷涂散斑时需要先喷涂一层白色底漆，之后再喷涂黑色散斑漆；
步骤三：对两个试件屈曲载荷的实测值和理论值进行分析。对于试件P1和P2实测值和理论计算值有一定差距，但总体差别不大。为便于进一步精确分析结构的失稳载荷和破坏载荷，本项目采用有限元方法进行数值模拟，模拟过程同时采用了理想的结构模型和加入一阶模态缺陷的结构模型两种，旨在分析缺陷对于结构稳定性的影响程度。实测载荷曲线及计算载荷曲线见图6；
步骤四：对两试件的载荷应变结果进行分析。载荷应变图见图7。首先，蒙皮上内外两侧的应变测点在结构发生屈曲时的应变曲线发生明显的分叉现象，而桁条上测点的应变曲线形状则相对一致，说明结构发生屈曲变形主要位于结构蒙皮，而对桁条的变形影响相对很弱。其次，结构发生初始屈曲之后，桁条上测点的载荷应变曲线斜率减小，说明桁条结构的刚度有所下降。第三，通过载荷应变曲线也可获得结构的屈曲失稳载荷，在载荷应变曲线分叉点时刻即为结构屈曲时刻，由此可得P1(半径1645mm)，P2(半径1000mm)两结构的初始屈曲载荷分别为430kN和620kN。第四，曲板P1、P2的强度载荷分别为964kN和1094kN。由上述分析知，本试验中P2相对与P1的初始屈曲和后屈曲载荷分别提高了44％和13％，说明复合材料加筋曲板轴压稳定性受曲板半径影响较大，在一定范围内其半径越小则稳定性越高；
步骤五：对两试件的载荷变形结果进行分析。载荷及全场测量变形结果演化历程见图8。在初始的线性压缩阶段，两试验件的变形整体较为均匀，只是桁条和蒙皮在整体上有较小的差异。进入结构初始屈曲后，蒙皮变形则会发生较大变化，P1，P2蒙皮均出现了较为规则的屈曲失稳波，结构加载端的失稳波相对于固定端出现要早，并且加载端的失稳波变形整体较大，说明结构失稳的起始位置位于曲板的加载端，终止于固定端。结构的后屈曲和破坏过程是结构的软化过程，在临近破坏时的P1，P2变形场已不再均匀，并出现大面积的同向变形，说明此时结构已经软化，并在软化区域发生了破坏；
步骤六：对两试件的变形测试结果及计算结果进行分析。测量结果与计算结果对比图见图9。首先，对于试件P1最大离面位移来讲，测量结果与计算结果有一定的差异，最大差别约3.5mm，但是P2最大离面位移的测试结果与计算结果较为接近。其次，由两种不同方式所得结果来看，两者获得的结构屈曲模式相同，失稳波数及分布位置也较为一致。说明利用两种方式结合分析复合材料薄壁加筋结构稳定性可以获得一致性的结果。而两种方法结合则可以分别从试验前的预示和试验过程中变形检测两个不同方面对结构进行分析，从而可以获得比以往的分析方法更为全面和可靠的分析结果。
Claims (6)
1.一种复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤一：试验件安装：试验件为复合材料加筋曲板，曲板的上下两端连接上下边界，将曲板的下边界固定安装在试验机平台上，上边界处于自由状态，试验中通过试验机上压板接触上边界后进行轴压试验；
步骤二：试验前测试准备：安装连接测试传感器，安装调试测试设备；本试验中，同时采用电阻应变计和三维数字散斑相关方法测试结构变形；在安装试验件之后布置粘贴电阻应变计并进行导线连接，电阻应变计测试位置为蒙皮和桁条区域，并且所有应变测点均为正反面对应分布；在粘贴完电阻应变计并连接导线后，利用三维数字散斑相关方法测量结构的整体失稳变形信息，在试验件表面喷涂散斑漆，并通过三脚架将测试装置固定在测试位置，喷涂散斑时先喷涂一层白色底漆，之后再喷涂黑色散斑漆；
步骤三：对两个试件屈曲载荷的实测值和理论值进行分析：对于试件P1和P2实测值和理论计算值有一定差距，采用有限元方法进行数值模拟，模拟过程同时采用了理想的结构模型和加入一阶模态缺陷的结构模型两种；
步骤四：对两试件的载荷应变结果进行分析；
步骤五：对两试件的载荷变形结果进行分析；
步骤六：对两试件的变形测试结果及计算结果进行分析。
2.根据权利要求1所述的复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法，其特征在于：所述曲板的尺寸为1m×0.85m，曲板的边界通过与方形铝合利用环氧树脂金粘接而成，试验机的加载能力选择200吨，加载速率设置为1mm/min。
3.根据权利要求1所述的复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法，其特征在于：所述应变计分布为：每个桁条上竖直方向均匀分布5个应变计，间距为160mm，中间桁条上的中间3个应变计处各增加4片；蒙皮处沿竖直方向的应变计均匀分布5片，其中第2、3应变计之间均匀增加2个应变计。
4.根据权利要求1所述的复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法，其特征在于：所述步骤四对两试件的载荷应变结果进行分析：首先，蒙皮上内外两侧的应变测点在结构发生屈曲时的应变曲线发生明显的分叉现象，而桁条上测点的应变曲线形状则相对一致，说明结构发生屈曲变形主要位于结构蒙皮，而对桁条的变形影响相对很弱；其次，结构发生初始屈曲之后，桁条上测点的载荷应变曲线斜率减小，说明桁条结构的刚度有所下降；第三，通过载荷应变曲线可获得结构的屈曲失稳载荷，在载荷应变曲线分叉点时刻即为结构屈曲时刻，由此可得P1(半径1645mm)，P2(半径1000mm)两结构的初始屈曲载荷分别为430kN和620kN；第四，曲板P1、P2的强度载荷分别为964kN和1094kN；由上述分析知，本试验中P2相对与P1的初始屈曲和后屈曲载荷分别提高了44％和13％，说明复合材料加筋曲板轴压稳定性受曲板半径影响较大，在一定范围内其半径越小则稳定性越高。
5.根据权利要求1所述的复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法，其特征在于：所述步骤五对两试件的载荷变形结果进行分析：在初始的线性压缩阶段，两试验件的变形整体较为均匀，只是桁条和蒙皮在整体上有较小的差异；进入结构初始屈曲后，蒙皮变形则会发生较大变化，P1，P2蒙皮均出现了较为规则的屈曲失稳波，结构加载端的失稳波相对于固定端出现要早，并且加载端的失稳波变形整体较大，说明结构失稳的起始位置位于曲板的加载端，终止于固定端；结构的后屈曲和破坏过程是结构的软化过程，在临近破坏时的P1，P2变形场已不再均匀，并出现大面积的同向变形，说明此时结构已经软化，并在软化区域发生了破坏。
6.根据权利要求1所述的复合材料薄壁加筋结构轴压稳定性测试分析方法，其特征在于：所述步骤六对两试件的变形测试结果及计算结果进行分析：首先，对于试件P1最大离面位移来讲，测量结果与计算结果有一定的差异，最大差别约3.5mm，但是P2最大离面位移的测试结果与计算结果较为接近；其次，由两种不同方式所得结果来看，两者获得的结构屈曲模式相同，失稳波数及分布位置也较为一致，说明利用两种方式结合分析复合材料薄壁加筋结构稳定性可以获得一致性的结果；而两种方法结合则可以分别从试验前的预示和试验过程中变形检测两个不同方面对结构进行分析，从而可以获得比以往的分析方法更为全面和可靠的分析结果。
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