復合材料薄壁加筋結構軸壓穩(wěn)定性測試分析方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于復合材料薄壁加筋結構軸壓穩(wěn)定性試驗技術領域，具體涉及一種復合材料薄壁加筋結構軸壓穩(wěn)定性測試分析方法。
【背景技術】
[0002]由于復合材料加筋結構具有比剛度大、比強度高、可設計性好等特點，已經(jīng)成為航空航天結構部件的首選方案。復合材料加筋結構的失效形式通常為屈曲失穩(wěn)。然而復合材料自身的一些缺點例如加工工藝要求高、對材料自身的缺陷敏感度高等，使得對于復合材料加筋結構的穩(wěn)定性問題研究變得極為復雜。目前對于加筋復合材料結構穩(wěn)定性的研究，主要采取試驗結合有限元分析的方式進行。由于數(shù)值模擬可以獲得結構全場的屈曲失穩(wěn)變形情況，因此很多學者在有限元分析方面對加筋復合材料結構穩(wěn)定性進行了大量的研究。相對與數(shù)值模擬，傳統(tǒng)的試驗測試方法主要為點對點式，無法獲得結構的整體變形情況。同時，雖然國內(nèi)外對于加筋復合材料結構穩(wěn)定性的研究已經(jīng)頗多，但都局限于小尺寸情況，對于大的結構尺寸情況，由于結構的非線性效應使得一些基本的理論解具有一定的誤差。因此，研究發(fā)展復合材料薄壁加筋結構穩(wěn)定性測試分析技術不僅是對現(xiàn)有分析測試技術的補充，同時也是亟待解決的技術難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對目前復合材料薄壁加筋結構軸壓穩(wěn)定性研究方法的不足，提出了一種復合材料薄壁加筋結構軸壓穩(wěn)定性測試分析方法。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案為:
[0005]一種復合材料薄壁加筋結構軸壓穩(wěn)定性測試分析方法，包括如下步驟:
[0006]步驟一:試驗件安裝:試驗件為復合材料加筋曲板，曲板的上下兩端連接上下邊界，將曲板的下邊界固定安裝在試驗機平臺上，上邊界處于自由狀態(tài)，試驗中通過試驗機上壓板接觸上邊界后進行軸壓試驗；
[0007]步驟二:試驗前測試準備:安裝連接測試傳感器，安裝調(diào)試測試設備；本試驗中，同時采用電阻應變計和三維數(shù)字散斑相關方法測試結構變形；在安裝試驗件之后布置粘貼電阻應變計并進行導線連接，電阻應變計測試位置為蒙皮和桁條區(qū)域，并且所有應變測點均為正反面對應分布；在粘貼完電阻應變計并連接導線后，利用三維數(shù)字散斑相關方法測量結構的整體失穩(wěn)變形信息，在試驗件表面噴涂散斑漆，并通過三腳架將測試裝置固定在測試位置，噴涂散斑時先噴涂一層白色底漆，之后再噴涂黑色散斑漆；
[0008]步驟三:對兩個試件屈曲載荷的實測值和理論值進行分析:對于試件P1和P2實測值和理論計算值有一定差距，采用有限元方法進行數(shù)值模擬，模擬過程同時采用了理想的結構模型和加入一階模態(tài)缺陷的結構模型兩種；
[0009]步驟四:對兩試件的載荷應變結果進行分析；
[0010]步驟五:對兩試件的載荷變形結果進行分析；
[0011]步驟六:對兩試件的變形測試結果及計算結果進行分析。
[0012]所述曲板的尺寸為lmX0.85m,曲板的邊界通過與方形鋁合利用環(huán)氧樹脂金粘接而成，試驗機的加載能力選擇200噸，加載速率設置為lmm/min。
[0013]所述應變計分布為:每個桁條上豎直方向均勻分布5個應變計，間距為160_，中間桁條上的中間3個應變計處各增加4片；蒙皮處沿豎直方向的應變計均勻分布5片，其中第2、3應變計之間均勻增加2個應變計。
[0014]所述步驟四對兩試件的載荷應變結果進行分析:首先，蒙皮上內(nèi)外兩側的應變測點在結構發(fā)生屈曲時的應變曲線發(fā)生明顯的分叉現(xiàn)象，而桁條上測點的應變曲線形狀則相對一致，說明結構發(fā)生屈曲變形主要位于結構蒙皮，而對桁條的變形影響相對很弱；其次，結構發(fā)生初始屈曲之后，桁條上測點的載荷應變曲線斜率減小，說明桁條結構的剛度有所下降；第三，通過載荷應變曲線可獲得結構的屈曲失穩(wěn)載荷，在載荷應變曲線分叉點時刻即為結構屈曲時刻，由此可得P1 (半徑1645mm), P2 (半徑1000mm)兩結構的初始屈曲載荷分別為430kN和620kN ;第四，曲板P1、P2的強度載荷分別為964kN和1094kN ;由上述分析知，本試驗中P2相對與P1的初始屈曲和后屈曲載荷分別提高了 44%和13%，說明復合材料加筋曲板軸壓穩(wěn)定性受曲板半徑影響較大，在一定范圍內(nèi)其半徑越小則穩(wěn)定性越高。
[0015]所述步驟五對兩試件的載荷變形結果進行分析:在初始的線性壓縮階段，兩試驗件的變形整體較為均勻，只是桁條和蒙皮在整體上有較小的差異；進入結構初始屈曲后，蒙皮變形則會發(fā)生較大變化，P1，P2蒙皮均出現(xiàn)了較為規(guī)則的屈曲失穩(wěn)波，結構加載端的失穩(wěn)波相對于固定端出現(xiàn)要早，并且加載端的失穩(wěn)波變形整體較大，說明結構失穩(wěn)的起始位置位于曲板的加載端，終止于固定端；結構的后屈曲和破壞過程是結構的軟化過程，在臨近破壞時的Pl，P2變形場已不再均勻，并出現(xiàn)大面積的同向變形，說明此時結構已經(jīng)軟化，并在軟化區(qū)域發(fā)生了破壞。
[0016]所述步驟六對兩試件的變形測試結果及計算結果進行分析:首先，對于試件P1最大離面位移來講，測量結果與計算結果有一定的差異，最大差別約3.5mm，但是P2最大離面位移的測試結果與計算結果較為接近；其次，由兩種不同方式所得結果來看，兩者獲得的結構屈曲模式相同，失穩(wěn)波數(shù)及分布位置也較為一致，說明利用兩種方式結合分析復合材料薄壁加筋結構穩(wěn)定性可以獲得一致性的結果；而兩種方法結合則可以分別從試驗前的預示和試驗過程中變形檢測兩個不同方面對結構進行分析，從而可以獲得比以往的分析方法更為全面和可靠的分析結果。
[0017]本發(fā)明所取得的有益效果為:
[0018]本發(fā)明利用電阻應變計、三維數(shù)字散斑相關法與有限元相結合的方法獲得了結構屈曲載荷、結構屈曲分叉點、結構整體的屈曲模式等。本次試驗相對變形測試誤差控制在0.01%以內(nèi)，滿足工程試驗研究需要。本發(fā)明完全滿足測試區(qū)域面積為lmXlm左右的復合材料加筋曲板的軸壓穩(wěn)定性測試分析；同時對類似大型結構的穩(wěn)定性問題的測試分析具有指導、參考意義，有一定的通用性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明所提供的復合材料試驗件整體尺寸示意圖；
[0020]圖2為試驗件帽形件剖面尺寸示意圖；
[0021]圖3為應變測點布置示意圖；
[0022]圖4為結構表面散斑噴涂情況示意圖；
[0023]圖5為試驗實施情況示意圖；
[0024]圖6為計算及實測載荷對比曲線圖；
[0025]圖7為載荷應變曲線圖；
[0026]圖8為載荷及全場測量變形結果演化圖；
[0027]圖9為測量結果與計算結果對比圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0029]本發(fā)明所述復合材料薄壁加筋結構軸壓穩(wěn)定性測試分析方法包括如下步驟:
[0030]步驟一:試驗件安裝。試驗件為復合材料加筋曲板，曲板的上下兩端連接上下邊界，將曲板的下邊界固定安裝在試驗機平臺上，上邊界處于自由狀態(tài)，試驗中通過試驗機上壓板接觸上邊界后進行軸壓試驗。本試驗發(fā)明中，曲板的尺寸為lmX0.85m,曲板的邊界通過與方形鋁合利用環(huán)氧樹脂金粘接而成，試驗機的加載能力選擇200噸，加載速率設置為lmm/min ；
[0031]步驟二:試驗前測試準備。安裝連接測試傳感器，安裝調(diào)試測試設備。本試驗中，同時采用了電阻應變計和三維數(shù)字散斑相關方法測試結構變形。在安裝試驗件之后布置粘貼電阻應變計并進行導線連接，電阻應變計測試位置為蒙皮和桁條區(qū)域，并且所有應變測點均為正反面對應分布，應變測點分布圖見圖3。每個桁條上豎直方向均勻分布5個應變計，間距為160_，中間桁條上的中間3個應變計處各增加4片。蒙皮處沿豎直方向的應變計均勻分布5片，其中第2、3應變計之間均勻增加2個應變計。在粘貼完電阻應變計并連接導線后，利用三維數(shù)字散斑相關方法測量結構的整體失穩(wěn)變形信息，在試驗件表面噴涂散斑漆，并通過三腳架將測試裝置固定在測試