王 喆，孫璐妍，孫 昊，李新祥，陳向明，袁 菲

（1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065；2.中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海?201210）

先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、機(jī)械等許多領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用[1-3]。復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)是工程中應(yīng)用比較廣泛的一種結(jié)構(gòu)，例如飛機(jī)的機(jī)翼、尾翼的翼面加筋壁板，梁腹板和機(jī)身上的蒙皮以及隔框等，當(dāng)它們受面內(nèi)壓縮、剪切等載荷[4，5]作用時(shí)，常見的失效模式為屈曲失穩(wěn)[6-10]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性開展了大量的研究。王峰會(huì)等[11]通過全場光學(xué)測量和應(yīng)變測試方法，研究了剪切載荷下平板、加筋板及含切口加筋板的屈曲模態(tài)及極限承載能力；王平安等[12]通過復(fù)合材料薄壁加筋板結(jié)構(gòu)的剪切試驗(yàn)，研究了剪切載荷下屈曲特性，指出在后屈曲承載過程中加強(qiáng)件與蒙皮的脫粘會(huì)造成屈曲模態(tài)的改變；Upendra K.Mallela等[13]采用有限元分析方法，研究了加筋板結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)件尺寸，正交各向異性比及加強(qiáng)件在加筋板中的拉伸剛度比和剪切剛度比對(duì)加筋板剪切屈曲載荷和屈曲模態(tài)的影響，并提出了剪切載荷下結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。石楚千[14]等通過試驗(yàn)與有限元仿真方法，研究了不同筋條剛度配比對(duì)復(fù)合材料加筋壁板屈曲及后屈曲行為的影響，指出筋條剛度對(duì)屈曲載荷影響較大，對(duì)破壞載荷影響很小；王燕[15]等通過建立復(fù)合材料加筋板考慮后屈曲響應(yīng)的結(jié)構(gòu)分級(jí)優(yōu)化方法，研究了筋條尺寸及密度等參數(shù)對(duì)承受面內(nèi)剪切載荷作用下的復(fù)合材料雙向加筋板屈曲后屈曲的影響規(guī)律。目前，鮮有文獻(xiàn)對(duì)厚蒙皮的加筋壁板蒙皮/長桁剛度配比對(duì)結(jié)構(gòu)屈曲性能與承載能力的影響研究。針對(duì)此問題，本文開展了復(fù)合材料加筋壁板剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)，通過無損件與目視勉強(qiáng)可見損傷（BVID）件的對(duì)比，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象，研究了加筋壁板蒙皮/長桁剛度配比對(duì)結(jié)構(gòu)屈曲性能及承載能力的影響。

1 試驗(yàn)件

復(fù)材機(jī)身M21C材料平直壁板厚板剪切試驗(yàn)件共3組，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。試驗(yàn)件主要由5根“M”型長桁、兩個(gè)框、蒙皮、長桁接頭以及角片組成。3組試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)構(gòu)型類似，長桁間距相同，框間距相同，蒙皮與長桁的剛度配比不同。試驗(yàn)件矩陣如表1所示。

以圖2所示帽型加筋層壓板典型單元為例，剪切剛度（GF）[16]可由下式計(jì)算

式中： 為蒙皮剪切力與中面剪應(yīng)變之間的剛度系數(shù)；

圖1 ??剪切試驗(yàn)件示意圖

圖2 ??帽型加筋層壓板剖面

其中前3項(xiàng)之和為長桁剪切剛度，最后一項(xiàng)為蒙皮剪切剛度，由此可得蒙皮/長桁剛度配比。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)支持與加載方案

剪切試驗(yàn)在壁板拉伸試驗(yàn)機(jī)（600 t）上進(jìn)行，通過螺栓將試驗(yàn)件四邊與夾具剪力板相連，再利用軸銷、拉板等將裝配好的試驗(yàn)件與試驗(yàn)機(jī)相連，在試驗(yàn)件對(duì)角處施加拉伸載荷形成剪力。夾具剪力板的加載孔設(shè)計(jì)成槽型孔，保證當(dāng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)夾具施加拉伸載荷時(shí)，剪力板僅受到加載軸銷沿其長度方向的拉力，從而通過螺栓給試驗(yàn)件邊框施加剪力。剪切試驗(yàn)件加載方案示意圖見圖3。

圖3 ??剪切試驗(yàn)加載方案示意圖

2.2 沖擊方案及結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行沖擊時(shí)，試驗(yàn)件四邊分別由木條進(jìn)行上下夾持，木條由G型夾固定，試驗(yàn)件通過G型夾夾持在工字梁上。沖擊損傷引入支持方式如圖4所示，正反面沖擊均采用此種夾持方式固定。采用落錘方式進(jìn)行沖擊，沖頭直徑16 mm。圖5為損傷引入位置說明，表2列出了每組試驗(yàn)件中BVID件的損傷引入結(jié)果。

圖4 ??剪切試驗(yàn)件沖擊試驗(yàn)支持圖

圖5 ??試驗(yàn)件BVID損傷引入位置

表2 ??試驗(yàn)件實(shí)際沖擊能量及凹坑深度

現(xiàn)以試驗(yàn)件P1-2為沖擊典型試驗(yàn)件說明沖擊損傷情況，圖6給出了試驗(yàn)件P1-2各沖擊點(diǎn)的損傷形貌。

2.3 測量方案

試驗(yàn)加載過程中，采用中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所自研的ST-24數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了應(yīng)變的監(jiān)測和測量，設(shè)備最大誤差為±0.5%F·S。試驗(yàn)件應(yīng)變片布置方案如圖7所示。單片用于框上應(yīng)變測量，花片用于蒙皮和長桁的應(yīng)變測量。為方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)果說明，規(guī)定應(yīng)變片編號(hào)首位數(shù)字對(duì)應(yīng)截面編號(hào)，例如：135號(hào)片為1截面應(yīng)變片，383號(hào)片為3截面應(yīng)變片。

圖6 ??試驗(yàn)件P1-2各沖擊點(diǎn)的損傷形貌

圖7 ??試驗(yàn)件應(yīng)變片布置方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于試驗(yàn)件P1-1，當(dāng)加載至1518 kN時(shí)，323號(hào)片曲線最先出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象，當(dāng)加載至1567.5 kN時(shí)，241號(hào)片、271號(hào)片、371號(hào)片、377號(hào)片附近出現(xiàn)屈曲，隨著載荷逐漸增加，223號(hào)片、235號(hào)片、277號(hào)片附近出現(xiàn)屈曲，當(dāng)加載至1815 kN時(shí)，105號(hào)片附近發(fā)生屈曲。當(dāng)加載至1890.73 kN時(shí)，試驗(yàn)件發(fā)出大響最終破壞，試驗(yàn)件出現(xiàn)明顯屈曲的應(yīng)變花載荷-剪應(yīng)變曲線如圖8、圖9所示。

圖8 ??試驗(yàn)件P1-1各截面長桁應(yīng)變花載荷-剪應(yīng)變曲線圖

圖9 ??試驗(yàn)件P1-1各截面長桁間蒙皮應(yīng)變花載荷-剪應(yīng)變曲線圖

對(duì)于試驗(yàn)件P1-2，當(dāng)加載至1518.89 kN時(shí)，試驗(yàn)件發(fā)出大響最終破壞。圖10～圖11為各截面長桁應(yīng)變花及蒙皮應(yīng)變花的剪應(yīng)變曲線圖。由曲線圖結(jié)合試驗(yàn)過程可知，試驗(yàn)件沒有出現(xiàn)明顯屈曲現(xiàn)象。由于破壞載荷非常接近無損件的屈曲載荷，可能是因?yàn)樵撛囼?yàn)件在引入沖擊損傷后，使得結(jié)構(gòu)局部剛度下降，特別是帽頂沖擊能量過高，形成的損傷過于嚴(yán)重，使得蒙皮一屈曲，長桁未能起到隔波作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在帽頂處最先失效，進(jìn)而失去承載能力。

圖10 ??試驗(yàn)件P1-2各截面長桁應(yīng)變花載荷-剪應(yīng)變曲線圖

圖11 ??試驗(yàn)件P1-2各截面長桁間蒙皮應(yīng)變花載荷-剪應(yīng)變曲線圖

對(duì)于試驗(yàn)件P2-2，當(dāng)加載至1953 kN時(shí)，171號(hào)片、271號(hào)片、371號(hào)片、335號(hào)片最先出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象。當(dāng)加載至2079 kN時(shí)，147號(hào)片、235號(hào)片出現(xiàn)屈曲。隨著載荷增加至2142 kN，159號(hào)片、177號(hào)片、241號(hào)片、247號(hào)片、277號(hào)片出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象。當(dāng)加載至2205 kN時(shí)，165號(hào)片附近出現(xiàn)屈曲。當(dāng)加載至2299.72 kN時(shí)，試驗(yàn)件發(fā)出大響最終破壞，試驗(yàn)件出現(xiàn)明顯屈曲的應(yīng)變花載荷-剪應(yīng)變曲線如圖12所示。

圖12 ??試驗(yàn)件P2-2各截面長桁間蒙皮應(yīng)變花載荷-剪應(yīng)變曲線圖

對(duì)于試驗(yàn)件P3-2，當(dāng)加載至2188.9 kN時(shí)，171號(hào)片、271號(hào)片最先出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象。當(dāng)增加至2312.8 kN時(shí)，兩側(cè)長桁應(yīng)變片曲線最先出現(xiàn)異常突變情況。隨著載荷逐漸增加，長桁間蒙皮區(qū)域及中間三根長桁應(yīng)變片曲線出現(xiàn)掉載現(xiàn)象，損傷擴(kuò)展，傳力路徑發(fā)生改變。當(dāng)加載至2950.59 kN時(shí)，試驗(yàn)件發(fā)出大響最終破壞，試驗(yàn)件出現(xiàn)明顯屈曲的應(yīng)變花載荷-剪應(yīng)變曲線如圖13所示。

圖13 ??試驗(yàn)件P3-2各截面長桁間蒙皮應(yīng)變花載荷-剪應(yīng)變曲線圖

由試驗(yàn)件P1-1、P2-2、P3-2的試驗(yàn)過程可知，蒙皮發(fā)生剪切局部屈曲，使得長桁間蒙皮出現(xiàn)了較大的面外位移，進(jìn)而導(dǎo)致長桁與蒙皮間的連接界面產(chǎn)生了較大的剝離應(yīng)力，界面出現(xiàn)脫粘失效。隨著載荷逐漸增加，界面的脫粘區(qū)域迅速擴(kuò)展，使得長桁對(duì)蒙皮的支持逐漸削弱，導(dǎo)致與長桁連接的靠近加載端蒙皮根部應(yīng)力集中并出現(xiàn)損傷，最終因蒙皮與長桁間的大面積損傷擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完全失去承載能力。試驗(yàn)件P2-2、P3-2在沖擊能量合理的情況下，均未出現(xiàn)明顯屈曲現(xiàn)象，試驗(yàn)件發(fā)生強(qiáng)度破壞。

由于6件試驗(yàn)件破壞形式類似，現(xiàn)以含沖擊損傷試驗(yàn)件P1-2為例，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行說明。由圖14、圖15可以看出，試驗(yàn)件最終破壞模式均為典型剪切破壞，5根長桁均發(fā)生折斷，破壞線與對(duì)角拉伸方向基本吻合，試驗(yàn)件破壞線穿過帽頂沖擊損傷處。

圖14 ??長桁側(cè)破壞模式

圖15 ??蒙皮側(cè)破壞模式

表3列出了3組試驗(yàn)件的屈曲載荷、實(shí)際破壞載荷、沖擊件與無損件的承載能力對(duì)比等結(jié)果。由表3可知，在一定范圍內(nèi)，加筋壁板的承載能力隨著蒙皮/長桁剛度配比的增加而增加。對(duì)于蒙皮/長桁剛度配比為3.79的加筋壁板，沖擊損傷對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響較為明顯（與無損件相比降低了19.7%）。而對(duì)于蒙皮/長桁剛度配比為3.84、3.92的加筋壁板，沖擊損傷對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響不大。

表3 ??剪切試驗(yàn)件試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)????論

本文針對(duì)不同蒙皮/長桁剛度配比的加筋壁板進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過無損件與引入BVID（目視勉強(qiáng)可見損傷）件進(jìn)行對(duì)比，獲得了加筋壁板的屈曲性能及承載能力與蒙皮/長桁剛度配比的關(guān)系，研究成果可為今后復(fù)合材料加筋壁板的設(shè)計(jì)提供參考。結(jié)果表明：

（1）在一定范圍內(nèi)，剪切試驗(yàn)件的承載能力隨著蒙皮/長桁剛度配比的增加而增加，合理優(yōu)化加筋壁板的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)提高結(jié)構(gòu)承載能力、減輕結(jié)構(gòu)重量具有十分重要的意義。

（2）對(duì)于蒙皮/長桁剛度配比為3.79的試驗(yàn)件，無損件因局部屈曲而導(dǎo)致破壞，BVID件中沖擊損傷對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響較為明顯，且帽頂沖擊損傷對(duì)試驗(yàn)件的承載能力影響更大，不排除沖擊能量偏大的影響。

（3）對(duì)于蒙皮/長桁剛度配比為3.84、3.92的試驗(yàn)件，無損件未出現(xiàn)明顯屈曲現(xiàn)象，試驗(yàn)件發(fā)生強(qiáng)度破壞。BVID件的承載能力與無損件相差較小，均在5%以內(nèi)，可認(rèn)為沖擊損傷對(duì)這兩組試驗(yàn)件的承載能力影響不大。但是沖擊損傷降低了局部剛度，造成結(jié)構(gòu)件發(fā)生局部屈曲而導(dǎo)致破壞。

（4）試驗(yàn)件最終破壞模式均為典型剪切破壞，5根長桁均發(fā)生折斷，破壞線與對(duì)角拉伸方向基本吻合。