CN112784369A - 一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，包括：获取加筋壁板的局部屈曲载荷，局部屈曲载荷的获取方式中，蒙皮受载边宽度为根据加筋壁板蒙皮等效模量、加筋壁板长桁下缘条等效模量、加筋壁板蒙皮横截面积和加筋壁板长桁下缘条横截面积得到的；获取加筋壁板的后屈曲承载能力，后屈曲承载能力的获取方式中，加筋壁板平均局部屈曲应力为根据加筋壁板蒙皮屈曲应力、加筋壁板长桁屈曲应力、加筋壁板蒙皮横截面积和加筋壁板长桁横截面积得到的。本发明实施例解决了现有对加筋壁板承载能力的校核方法，难以体现由于长桁结构形式的不同对加筋壁板承载性能的影响，从而导致对加筋壁板承载能力校核的准确性较差的问题。

Description

一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法

技术领域

本发明涉及但不限于飞机结构设计技术领域，尤指一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法。

背景技术

复合材料加筋壁板以其比强度高、比刚度大和可设计性强等诸多优点，被广泛应用于飞行器翼面结构中。复合材料加筋壁板承受的主要载荷是由翼面弯矩引起的轴向拉伸应力或压缩应力，其承受压缩载荷时主要的失效模式是屈曲失稳。加筋壁板屈曲后，其后屈曲承载路径具有几何非线性的特点，为了确保加筋壁板使用的安全性和可靠性，目前，工程师们通常以极限载荷下不得屈曲作为校核准则。

实际应用中上，加筋壁板屈曲后并不等于破坏，为有效降低结构重量，充分发挥复合材料优点，有必要对复合材料加筋壁板局部屈曲及后屈曲承载能力进行研究。然而，现有对加筋壁板承载能力的校核方法，均不能有效考虑长桁截面形状对加筋壁板局部屈曲和后屈曲承载能力的影响，按现有方法校核时，不能体现由于长桁结构形式的不同对加筋壁板承载性能的影响。

发明内容

本发明的目的为：本发明实施例提供一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，以解决现有对加筋壁板承载能力的校核方法，难以体现由于长桁结构形式的不同对加筋壁板承载性能的影响，从而导致对加筋壁板承载能力校核的准确性较差的问题。

本发明的技术方案为：本发明实施例提供一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，包括：

步骤1，获取加筋壁板的局部屈曲载荷，所述局部屈曲载荷的获取方式中，蒙皮受载边宽度为根据加筋壁板蒙皮等效模量、加筋壁板长桁下缘条等效模量、加筋壁板蒙皮横截面积和加筋壁板长桁下缘条横截面积得到的；

步骤2，获取加筋壁板的后屈曲承载能力，所述后屈曲承载能力的获取方式中，所述加筋壁板平均局部屈曲应力为根据加筋壁板蒙皮屈曲应力、加筋壁板长桁屈曲应力、加筋壁板蒙皮横截面积和加筋壁板长桁横截面积得到的。

可选地，如上所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中，所述步骤1中，加筋壁板的局部屈曲载荷的获取方式，按照四边简支矩形层压板理论进行屈曲校核，校核方式为：

其中，N_x为单位长度轴压屈曲载荷；m为沿加筋壁板长桁方向屈曲半波数；D_ij为弯曲刚度系数，a为加筋壁板长度；b为蒙皮受载边宽度。

可选地，如上所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中，

所述蒙皮受载边宽度b的获取方式为：以长桁轴线间距作为蒙皮受载边基本宽度b_str，根据长桁下缘条弹性模量E和横截面积A对蒙皮支持的影响，通过长桁单侧下缘条E₂A₂值与长桁轴线间距蒙皮E₁A₁值的比值，对蒙皮受载边宽度b进行折算。

可选地，如上所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中，所述蒙皮受载边宽度b的获取方式，具体为：

其中，E₁为加筋壁板蒙皮等效模量，E₂为加筋壁板长桁下缘条等效模量，A₁为加筋壁板蒙皮横截面积，A₂为加筋壁板长桁下缘条横截面积，b_str为长桁轴线间距作为蒙皮受载边基本宽度。

可选地，如上所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中，所述加筋壁板在工程应用中处于过渡区段，所述过渡区段内，加筋壁板蒙皮先产生局部屈曲，后屈曲状态为直至破坏且不发生总体屈曲；所述步骤2中，获取过度区段加筋壁板的后屈曲破坏载荷的方式为：

其中，σ_co为加筋壁板平均破坏应力，σ_cc为加筋壁板平均压损破坏应力，σ_r为不考虑加筋壁的板蒙皮或者长桁屈曲后刚度下降的影响，按欧拉公式计算的加筋壁板的总体屈曲应力，σ_cr为加筋壁板平均局部屈曲应力。

可选地，如上所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中，所述加筋壁板平均局部屈曲应力σ_cr的获取方式为：

其中，σ_skin为加筋壁板蒙皮屈曲应力，σ_str为加筋壁板长桁屈曲应力，A_skin为加筋壁板蒙皮横截面积，A_str为加筋壁板长桁横截面积，且加筋壁板长桁屈曲应力σ_str为加筋壁板的长桁腹板屈曲应力σ_str-腹板、长桁上缘条屈曲应力σ_str-上与长桁下缘条屈曲应力σ_str-下之和。

可选地，如上所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中，所述加筋壁板包括蒙皮和长桁；所述步骤2中，加筋壁板长桁屈曲应力σ_str的获取方式为：

工型加筋壁板的长桁，直至破坏也不发生局部屈曲，工型加筋壁板的长桁下缘条屈曲应力σ_str-下、长桁腹板屈曲应力σ_str-腹板为加筋壁板的压损值，长桁上缘条屈曲应力σ_str-上按三边简支，一边自由矩形层压板理论计算求得；

T型加筋壁板的蒙皮在局部屈曲后，随着载荷增加长桁腹板发生局部屈曲，T型长桁腹板屈曲应力σ_str-腹板按三边简支，一边自由矩形层压板理论计算求得，长桁下缘条σ_str-下为加筋壁板的压损值。

可选地，如上所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中，所述三边简支，一边自由矩形层压板理论的计算方式为：

其中，L为加筋壁板的长桁长度。

本发明的有益效果为：本发明实施例提供的一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，一方面，通过提供对蒙皮受载边宽度的计算方式，使得修正后的加筋壁板在工程应用中的局部屈曲载荷计算方式，可以体现长桁参数对加筋壁板抗屈曲承载能力的影响，较原计算方法准确度提高；另一方面，通过提供对加筋壁板平均局部屈曲应力σ_cr的计算方式，使得修正后的加筋壁板在工程应用中的后屈曲承载能力计算方法，可以体现长桁参数对加筋壁板后屈曲承载能力的影响，较原计算方法准确度提高。采用本发明实施例提供的校核方法，可以准确预测加筋壁板的局部屈曲及后屈曲承载能力，从而带来结构重量降低和运营成本降低等一系列积极效果。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为现有方式获取加筋壁板的局部屈曲载荷的实施方式中长桁间距的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法的流程图；

图3为图2所示实施例提供的飞机翼面抽钉松动修理方法的另一种工作状态的示意图。

具体实施例

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

上述背景技术中已经说明，为有效降低结构重量，充分发挥复合材料优点，有必要对复合材料加筋壁板局部屈曲及后屈曲承载能力进行研究。

工程分析中加筋壁板的局部屈曲载荷校核见下式。

上述公式(1)中，N_x为单位长度轴压屈曲载荷；m为沿加筋壁板长桁方向屈曲半波数；D_ij为弯曲刚度系数；a为加筋壁板长度；b为蒙皮受载边宽度。

需要说明的是，上述公式(1)的准确性主要取决于蒙皮受载边宽度b值，目前工程中计算b值的方式为直接取长桁间距，此种方法较笼统，不能根据长桁的强弱有效区分长桁对蒙皮的支持，从而导致计算结果较保守，增加了结构重量。长桁间距如图1所示，为现有方式获取加筋壁板的局部屈曲载荷的实施方式中长桁间距的结构示意图。

需要说明的是，复合材料加筋壁板的屈曲包括：局部屈曲和总体屈曲，局部屈曲之后，进入后屈曲状态，后屈曲状态下，随着载荷的增加存在以下两种可能情况：一种情况为发生总体屈曲，之后继续加载产生破坏，另一种情况发生破坏，则不会产生总体屈曲。

工程上对加筋壁板的后屈曲承载能力校核时，将加筋壁板按有效长细比分为3个区段，即短柱区段、长柱区段和过渡区段。加筋壁板一般处于过渡区段。过渡区段加筋壁板的承载过程中，加筋壁板蒙皮先产生局部屈曲，直至破坏且不发生总体屈曲。过渡区段加筋壁板承载能力校核公式见下式。

上述公式(2)中，σ_co为加筋壁板平均破坏应力；σ_cc为加筋壁板平均压损破坏应力，一般通过压损试验确定；σ_r为不考虑加筋壁板蒙皮或者长桁屈曲后刚度下降的影响，按欧拉公式计算的加筋壁板的总体屈曲应力；σ_cr为加筋壁板平均局部屈曲应力。

在材料性能、铺层信息和几何形状确定的前提下，欧拉总体屈曲计算值σ_r为固定值，所以公式(2)计算结果的准确度由σ_cr值决定。目前的工程手册中并未给出σ_cr具体计算方法，所以工程设计人员在进行承载能力校核时，一般按照设计要求截止应变从而确定其承载能力。

上述方法均不能有效考虑长桁截面形状对加筋壁板局部屈曲和后屈曲承载能力的影响，按上述方法校核时，不能体现由于长桁结构形式的不同对加筋壁板承载性能的影响。

为了解决考虑长桁影响的复合材料加筋壁板的局部屈曲和后屈曲承载能力的校核方法。本发明实施例提供一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法。

图2为本发明实施例提供的一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法的流程图。本发明实施例提供的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中，复合材料加筋壁板承载能力获取分为加筋壁板的局部屈曲设计获取和后屈曲承载能力设计，具体包括如下步骤：

步骤1，获取加筋壁板的局部屈曲载荷，局部屈曲载荷的获取方式中，蒙皮受载边宽度为根据加筋壁板蒙皮等效模量、加筋壁板长桁下缘条等效模量、加筋壁板蒙皮横截面积和加筋壁板长桁下缘条横截面积得到的；

步骤2，获取加筋壁板的后屈曲承载能力，后屈曲承载能力的获取方式中，加筋壁板平均局部屈曲应力为根据加筋壁板蒙皮屈曲应力、加筋壁板长桁屈曲应力、加筋壁板蒙皮横截面积和加筋壁板长桁横截面积得到的。

以下对本发明实施例提供的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中各步骤的实现方式进行详细说明。

a)，加筋壁板的局部屈曲载荷的获取方式

本发明实施例的步骤1中，加筋壁板的局部屈曲载荷可以按照四边简支矩形层压板理论进行屈曲校核，校核方式如下公式：

其中，N_x为单位长度轴压屈曲载荷；m为沿加筋壁板长桁方向屈曲半波数；D_ij为弯曲刚度系数，D_ij可以根据材料性能和铺层信息计算得到，a为加筋壁板长度；b为蒙皮受载边宽度。

本发明实施例中，以长桁轴线间距作为蒙皮受载边基本宽度b_str，根据长桁下缘条弹性模量E和横截面积A对蒙皮支持的影响，通过长桁单侧下缘条E₂A₂值与长桁轴线间距蒙皮E₁A₁值的比值，对蒙皮受载边宽度b进行折算。

本发明在具体实施方式中，蒙皮受载边宽度b计算方法如下公式：

上述公式(3)中，E₁为加筋壁板蒙皮等效模量，E₂为加筋壁板长桁下缘条等效模量，A₁为加筋壁板蒙皮横截面积，A₂为加筋壁板长桁下缘条横截面积，b_str为长桁轴线间距作为蒙皮受载边基本宽度。

b)，加筋壁板的后屈曲承载能力的获取方式

工程应用上，加筋壁板一般处于过渡区段，该过渡区段内，加筋壁板蒙皮先产生局部屈曲，其后屈曲状态为直至破坏不发生总体屈曲；本发明实施例的步骤2中，过度区段加筋壁板的后屈曲破坏载荷的获取方式为：

其中，σ_co为加筋壁板平均破坏应力，σ_cc为加筋壁板平均压损破坏应力，一般通过压损试验确定，σ_r为不考虑加筋壁的板蒙皮或者长桁屈曲后刚度下降的影响，按欧拉公式计算的加筋壁板的总体屈曲应力，σ_cr为加筋壁板平均局部屈曲应力。

由于工程手册中并未给出加筋壁板平均局部屈曲应力σ_cr的具体计算方法，本发明实施例提供一种计算σ_cr的实现方法，如下公式：

上述公式(4)中，σ_skin为加筋壁板蒙皮屈曲应力，σ_str为加筋壁板长桁屈曲应力，A_skin为加筋壁板蒙皮横截面积，A_str为加筋壁板长桁横截面积，且加筋壁板长桁屈曲应力σ_str为加筋壁板的长桁腹板屈曲应力σ_str-腹板、长桁上缘条屈曲应力σ_str-上与长桁下缘条屈曲应力σ_str-下之和。

由于加筋壁板的结构通常包括蒙皮和长桁；本发明实施例的步骤2中，加筋壁板长桁屈曲应力σ_str的获取方式与长桁形状相关。

在本发明实施例的一种实现方式中，对于工型加筋壁板的长桁，直至破坏也不发生局部屈曲，工型加筋壁板的长桁下缘条屈曲应力σ_str-下、长桁腹板屈曲应力σ_str-腹板为加筋壁板的压损值，长桁上缘条屈曲应力σ_str-上按三边简支，一边自由矩形层压板理论计算求得。

在本发明实施例的另一种实现方式中，对于T型加筋壁板，T型加筋壁板的蒙皮在局部屈曲后，随着载荷增加长桁腹板发生局部屈曲，T型长桁腹板屈曲应力σ_str-腹板按三边简支，一边自由矩形层压板理论计算求得，长桁下缘条σ_str-下为加筋壁板的压损值。

实际应用中，上述三边简支，一边自由矩形层压板理论的计算方式为：

其中，L为加筋壁板的长桁长度。

本发明与现有技术不同在于：目前强度专业校核时，蒙皮受载边宽度选取长桁间距作为b值，导致长桁形状和长桁强弱对加筋壁板稳定性和承载能力计算结构无影响。本发明给出了考虑长桁形状和刚度的蒙皮受载边宽度b值计算方法和加筋壁板平均局部屈曲应力计算方法，最终带来计算精度的提高，减轻结构重量，降低飞机运营成本。

本发明实施例提供的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，一方面，通过提供对蒙皮受载边宽度的计算方式，使得修正后的加筋壁板在工程应用中的局部屈曲载荷计算方式，可以体现长桁参数对加筋壁板抗屈曲承载能力的影响，较原计算方法准确度提高；另一方面，通过提供对加筋壁板平均局部屈曲应力σ_cr的计算方式，使得修正后的加筋壁板在工程应用中的后屈曲承载能力计算方法，可以体现长桁参数对加筋壁板后屈曲承载能力的影响，较原计算方法准确度提高。采用本发明实施例提供的校核方法，可以准确预测加筋壁板的局部屈曲及后屈曲承载能力，从而带来结构重量降低和运营成本降低等一系列积极效果。

以下通过一个实施示例对本发明实施例提供的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法具体实施方式进行详细说明。如图3所示，为本发明实施例提供的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法中加筋壁板的结构示意图，图3为俯视图，图中示意出4根长桁，A-A为其中一个长桁的剖视图。

D_ij为弯曲刚度系数，弯矩刚度系D_ij数主要由加筋壁板铺层信息求解，参见图2所示加筋壁板，其弯矩刚度系数如下表1所示：

表1

弯矩刚度矩阵	蒙皮	长桁上缘条	长桁腹板	长桁下缘条
					A<sub>11</sub>(N*mm)	148275.51	213402.33	129448.79	118989.50
A<sub>22</sub>(N*mm)	88093.74	93038.81	69267.02	58807.73
					A<sub>12</sub>(N*mm)	38968.16	40479.37	24902.44	17088.15
A<sub>66</sub>(N*mm)	43843.44	46488.44	28757.31	20376.13
					D<sub>11</sub>(N*mm)	49035.46	114859.44	28271.54	22318.33
D<sub>22</sub>(N*mm)	35557.25	55931.46	13815.38	7297.96
					D<sub>12</sub>(N*mm)	18240.21	27959.37	8882.57	3761.62
D<sub>66</sub>(N*mm)	20118.21	31475.93	9810.96	4337.70
					等效模量/Gpa	60.76	74	77.63	71.71

本实施示例的具体校核方式包括：

(1)求解复合材料加筋壁板的局部屈曲载荷

①：求解蒙皮受载边宽度，按下式求解得到：

②：求解加筋壁板的屈曲载荷，按下式求解得到：

(2)求解复合材料加筋壁板的后屈曲承载能力

①：求解平均屈曲应力，按下式求解。

②：求解后屈曲承载能力载荷，按下式求解。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，其特征在于，包括：

步骤1，获取加筋壁板的局部屈曲载荷，所述局部屈曲载荷的获取方式中，蒙皮受载边宽度为根据加筋壁板蒙皮等效模量、加筋壁板长桁下缘条等效模量、加筋壁板蒙皮横截面积和加筋壁板长桁下缘条横截面积得到的；

步骤2，获取加筋壁板的后屈曲承载能力，所述后屈曲承载能力的获取方式中，所述加筋壁板平均局部屈曲应力为根据加筋壁板蒙皮屈曲应力、加筋壁板长桁屈曲应力、加筋壁板蒙皮横截面积和加筋壁板长桁横截面积得到的。

2.根据权利要求1所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，其特征在于，所述步骤1中，加筋壁板的局部屈曲载荷的获取方式，按照四边简支矩形层压板理论进行屈曲校核，校核方式为：

其中，N_x为单位长度轴压屈曲载荷；m为沿加筋壁板长桁方向屈曲半波数；D_ij为弯曲刚度系数，a为加筋壁板长度；b为蒙皮受载边宽度。

3.根据权利要求2所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，其特征在于，

所述蒙皮受载边宽度b的获取方式为：以长桁轴线间距作为蒙皮受载边基本宽度b_str，根据长桁下缘条弹性模量E和横截面积A对蒙皮支持的影响，通过长桁单侧下缘条E₂A₂值与长桁轴线间距蒙皮E₁A₁值的比值，对蒙皮受载边宽度b进行折算。

4.根据权利要求3所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，其特征在于，所述蒙皮受载边宽度b的获取方式，具体为：

其中，E₁为加筋壁板蒙皮等效模量，E₂为加筋壁板长桁下缘条等效模量，A₁为加筋壁板蒙皮横截面积，A₂为加筋壁板长桁下缘条横截面积，b_str为长桁轴线间距作为蒙皮受载边基本宽度。

5.根据权利要求1所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，其特征在于，所述加筋壁板在工程应用中处于过渡区段，所述过渡区段内，加筋壁板蒙皮先产生局部屈曲，后屈曲状态为直至破坏且不发生总体屈曲；所述步骤2中，获取过度区段加筋壁板的后屈曲破坏载荷的方式为：

其中，σ_co为加筋壁板平均破坏应力，σ_cc为加筋壁板平均压损破坏应力，σ_r为不考虑加筋壁的板蒙皮或者长桁屈曲后刚度下降的影响，按欧拉公式计算的加筋壁板的总体屈曲应力，σ_cr为加筋壁板平均局部屈曲应力。

6.根据权利要求5所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，其特征在于，所述加筋壁板平均局部屈曲应力σ_cr的获取方式为：

其中，σ_skin为加筋壁板蒙皮屈曲应力，σ_str为加筋壁板长桁屈曲应力，A_skin为加筋壁板蒙皮横截面积，A_str为加筋壁板长桁横截面积，且加筋壁板长桁屈曲应力σ_str为加筋壁板的长桁腹板屈曲应力σ_str-腹板、长桁上缘条屈曲应力σ_str-上与长桁下缘条屈曲应力σ_str-下之和。

7.根据权利要求6所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，其特征在于，所述加筋壁板包括蒙皮和长桁；所述步骤2中，加筋壁板长桁屈曲应力σ_str的获取方式为：

工型加筋壁板的长桁，直至破坏也不发生局部屈曲，工型加筋壁板的长桁下缘条屈曲应力σ_str-下、长桁腹板屈曲应力σ_str-腹板为加筋壁板的压损值，长桁上缘条屈曲应力σ_str-上按三边简支，一边自由矩形层压板理论计算求得；

T型加筋壁板的蒙皮在局部屈曲后，随着载荷增加长桁腹板发生局部屈曲，T型长桁腹板屈曲应力σ_str-腹板按三边简支，一边自由矩形层压板理论计算求得，长桁下缘条σ_str-下为加筋壁板的压损值。

8.根据权利要求7所述的复合材料加筋壁板的承载能力校核方法，其特征在于，所述三边简支，一边自由矩形层压板理论的计算方式为：

其中，L为加筋壁板的长桁长度。

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