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复合材料壁板后屈曲设计与分析技术研究进展
复合材料加筋壁板结构后屈曲设计是未来航空飞行器实现进一步减重的主要技术途径，但受限于缺乏可靠的复合材料壁板屈曲与后屈曲失效分析方法等因素而无法广泛工程应用。图片通过飞机整机、壁板部件、壁板细节件、壁板元件、细观材料，从大到小展示了复合材料加筋壁板屈曲和后屈曲的主要失效模式，以及从全局到局部的分析流程，体现了复合材料壁板屈曲和后屈曲多层级分析和积木式验证的思想，表明复合材料壁板后屈曲设计和应用的重点是失效分析，前提是失效模式的识别，核心是积木式试验验证。
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基本信息
作者：陈向明* 1, 李新祥1, 柴亚南1, 陈普会2, 孙侠生3
单位：1. 中国飞机强度研究所 强度与结构完整性全国重点实验室；2. 南京航空航天大学 航空学院；3. 上海交通大学 航空航天学院
收稿日期：2024-04-02；录用日期：2024-05-24
基金项目：国家自然科学基金(12272358)；民机科研(MJ-2015-F-038)
关键词：复合材料；加筋壁板；屈曲；后屈曲；工程分析；数值分析
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研究成果
复合材料的大规模应用是航空飞行器机体加筋壁板结构减重的主要手段，但因过于保守的设计准则使得结构减重效果并不理想。薄壁加筋壁板结构通常具有很长的后屈曲承载历程，但因缺乏后屈曲设计与评估的有效分析方法，目前飞机复合材料加筋壁板几乎都不允许蒙皮在限制载荷以下屈曲，无法充分发挥复合材料的减重特性。由于复合材料加筋壁板结构后屈曲失效机理十分复杂，影响因素众多，缺乏准确有效的分析方法，在工程设计中只能通过保守的设计准则来覆盖分析的误差和认识的不足。因此，航空复合材料加筋壁板的屈曲与后屈曲失效分析技术的进步将有助于复合材料加筋壁板后屈曲设计在航空结构中的有效应用，对于复合材料结构的进一步减重以及承载效率的提高具有重要意义。
复合材料加筋壁板结构后屈曲设计是未来航空航天飞行器加筋壁板结构实现进一步减重的主要技术途径之一，但多年来，一方面受限于缺乏可靠且工程广泛适用的复合材料加筋壁板屈曲与后屈曲分析方法和设计工具；另一方面受限于制造缺陷和冲击损伤对结构强度造成的不确定性影响，使得复合材料加筋壁板的后屈曲设计还无法实现广泛的工程应用。
在工程分析技术方面，近年来，关于复合材料板屈曲和后屈曲工程分析方法的研究主要集中在对公式中各项系数的修正，以及弹性边界条件的模拟、蒙皮屈曲“等效宽度”和屈曲后“有效宽度”的修正等，而其核心的理论方法鲜有发展，尤其是剪切载荷下的复合材料板屈曲与后屈曲分析依然缺乏工程好用的快速计算方法。
在数值分析方法方面，近年来提出了很多基于简化有限元模型的快速分析方法，在结构稳定性初步设计和优化中发挥了重要作用。对于大尺寸加筋壁板的强度分析，只能通过“全局-局部”模型的多层级分析来实现。针对复合材料壁板后屈曲的累积损伤细节分析虽然开展了大量的研究，提出了诸多计算方法和模型，但大部分都没有经过系统的试验验证。
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在屈曲与后屈曲影响因素方面，一般情况下制造缺陷与冲击损伤对复合材料加筋壁板的初始屈曲性能影响不大，但在筋条刚度较大区域遭受冲击，将造成严重的筋条损伤，从而影响壁板屈曲载荷。损伤/缺陷影响壁板后屈曲承载性能的程度跟损伤/缺陷的位置密切相关，相同冲击能量刚度较大或界面等薄弱区域损伤面积较大，对后屈曲承载能力影响也越大。此外，蒙皮屈曲后不起主要承载作用，筋条间蒙皮损伤/缺陷不会对后屈曲性能造成影响，但靠近筋条下凸缘，冲击损伤会引起筋条-蒙皮界面的脱粘，从而影响壁板后屈曲承载能力。
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在不含损伤情况下屈曲疲劳性能几乎与壁板面内载荷疲劳无差别，“静力覆盖疲劳”依然适用。但对于含缺陷复合材料壁板，其屈曲疲劳寿命主要取决于损伤/缺陷的大小和位置，屈曲波峰处的筋条-蒙皮界面脱粘缺陷，在反复屈曲载荷作用下很容易出现快速扩展而造成结构失效。然而对屈曲疲劳性能更大的威胁是筋条-蒙皮界面不可检的虚粘接（或称弱粘接），会造成壁板在屈曲疲劳载荷下不可预见的突然失效。湿热环境会造成复合材料刚度和强度性能退化，不同程度上会引起壁板的屈曲和后屈曲性能，但基本都稳定可控。
通过以上研究现状分析，今后的研究方向和发展趋势主要包括：
（1）随着计算机运算能力的不断提升，采用合理简化的有限元模型进行屈曲，甚至后屈曲的快速迭代和优化是未来复合材料壁板设计的重要手段。
（2）损伤和缺陷的模拟方法，及其扩展规律和剩余强度预测等是复合材料壁板后屈曲设计和强度评估的重要内容。
（3）筋条-蒙皮结合界面缺陷/损伤的高效、有效检测是整体化复合材料加筋壁板后屈曲设计的基础，尤其是对结合界面虚粘接的有效检出是保证复合材料壁板后屈曲安全的关键。
（4）复合材料加筋壁板制造缺陷/偏差等几何形状、材料特性、荷载条件及冲击损伤位置和大小等均存在一定的不确定性，需建立考虑不确定性因素影响的结构可靠性设计方法。
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03
作者团队简介
第一/通信作者
陈向明
陈向明，工学博士，研究员，研究方向为复合材料结构强度技术。
引用格式：
陈向明, 李新祥, 柴亚南, 等. 复合材料壁板后屈曲设计与分析技术研究进展[J]. 复合材料学报, 2024, 41(9): 4673-4700.
《复合材料学报》
刊名：复合材料学报
刊期：月刊
创刊时间：1984年7月
主办单位：北京航空航天大学；中国复合材料学会
出版单位：《复合材料学报》编辑部
获奖及入选核心情况：
《复合材料学报》首批入选 “中国科技期刊卓越行动计划”，先后荣获“中国政府出版奖期刊奖提名奖”、“中国精品科技期刊”、“百种中国杰出学术期刊“、“中国最具国际影响力学术期刊”等，“材料科学-综合类高质量科技期刊分级目录”中的T1区期刊。
《复合材料学报》被《EI》、Elsevier的《Scopus》、《EBSCO》(全文收录)、《CA》、《JST》、《Pж(AJ)》等国际著名检索数据库收录，同时为中国科技核心期刊(中国科技论文统计源期刊)、北大中文核心期刊，被《中国期刊网全文收录数据库，CNKI》、《中国科学引文数据库》、万方、维普、超星等数据库收录。
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文章转自：复合材料学报
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