高强铝合金加筋薄壁梁屈曲与极限承载特性研究

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1、博士学位论文高强铝合金加筋薄壁梁屈曲与极限承载特性研究BUCKLINGANDULTIMATERESISTANCEOFHIGH-STRENGTHALUMINUMTHIN-WALLEDSTIFFENEDBEAMS牛瑞涛哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TB121学校代码：10213国际图书分类号：531密级：公开工学博士学位论文高强铝合金加筋薄壁梁屈曲与极限承载特性研究博士研究生：牛瑞涛导师：高维成教授申请学位：工学博士学科：固体力学所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInde

2、x:TB121U.D.C:531DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringBUCKLINGANDULTIMATERESISTANCEOFHIGH-STRENGTHALUMINUMTHIN-WALLEDSTIFFENEDBEAMSCandidate：NiuRuitaoSupervisor：Prof.GaoWeichengAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：SolidMechanicsAffiliation：School

3、ofAstronauticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要铝合金加筋薄壁梁是飞机结构的主承力构件，其静力破坏主要是由于结构屈曲失稳造成的。薄壁梁屈曲问题涉及复杂的几何非线性与材料非线性相互作用，难以进行解析求解；薄壁梁的结构形式往往复杂多变，这会引发复杂的局部-整体相互作用，进一步增加了屈曲问题的复杂性；实际的薄壁梁屈曲承载特性影响因素很多，对其进行合理的力学建模也面临诸多挑战。此外，与传统加筋薄壁梁

4、设计相比，由于材料强度的显著提高，高强结构的几何构造会发生改变，甚至是突破传统设计方法所规定的适用范围，这就需要对传统设计方法在更大的参数变化范围内的适用性进行验证和完善以指导高强加筋薄壁梁设计。鉴于此，对高强铝合金加筋薄壁梁屈曲承载特性进行研究，具有重要的理论意义和工程应用价值。本文结合实际工程技术需求，综合解析法、有限元法与试验法进行了某典型高强铝合金加筋薄壁梁的弯剪承载特性研究，意在深入地探索薄壁梁承载机理，发展薄壁梁分析理论与方法，为工程结构设计规范的改进提供参考，主要工作包括以下内容：之前文献的定性研究已经表明，对于横向剪力作

5、用下薄壁梁腹板屈曲问题，与传统的均匀腹板剪切假设相比，实际的非均匀剪应力分布可能极大地降低腹板屈曲承载力。为了将腹板非均匀剪应力分布效应纳入工程结构设计，进行了端部横向剪力作用下薄壁梁腹板的屈曲承载特性定量分析研究。提出了一个无量纲参数来表征翼缘弯曲刚度对腹板非均匀剪应力分布的影响。利用Rayleigh–Ritz法进行腹板屈曲载荷影响参数识别分析，证实了腹板屈曲系数除了受腹板长宽比影响外还与翼缘弯曲刚度有关。进而，进行了Rayleigh–Ritz法与有限元法的对比分析，探讨了合理的腹板屈曲求解方法选取问题。利用优选出的有限元模型进行了腹

6、板屈曲参数化分析，结果表明，传统均匀剪切屈曲预测值最大可以比实际值提高约一倍；当相对翼缘弯曲刚度相同时方板比其它长宽比矩形板更接近均匀受剪板；验证了屈曲系数随两个自变量（腹板长宽比与相对翼缘弯曲刚度）的变化具有良好的规律性。最后，基于所验证的规律性，提出了一个实用的腹板屈曲系数计算公式。进行了端部横向剪力与弯矩共同作用下薄壁梁腹板屈曲承载力设计公式研究。本文提取并定义了一个新的基本载荷分量，称为纯非均匀剪力，以此来考虑腹板中非均匀剪切应力的影响。这样，腹板受力可以视为均匀剪力、非均匀剪力和弯矩三种载荷的叠加。在之前的研究中已经得到每种载

7、荷单独作用下腹-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文板屈曲系数计算方法与均匀剪力-弯矩复合载荷作用下腹板屈曲承载力设计公式。本文基于有限元计算结果，提出了非均匀剪力分别与其它两种载荷共同作用下腹板屈曲承载力计算公式。进而，在此基础上提出与仿真计算结果吻合良好的全部三种基本载荷联合作用下腹板屈曲相互作用设计公式。此外，利用有限元法对工程中常用的将横向剪力处理为均匀剪切与弯矩共同作用的载荷简化方法的有效性进行了评估，结果表明：利用传统的载荷简化方法进行长宽比大于1的宽腹板屈曲计算可能会得到偏于危险的计算结果。进行了弯剪载荷作用下某新型高强铝合

8、金加筋薄壁梁承载特性试验研究。与之前的薄壁梁承载试验研究相比，本试验研究最显著的成果为揭示了一种新的针对加筋薄壁梁的局部板元承载特性相互作用，即薄壁梁中组成板元的承载特性还会受到由加强筋隔开的其它板元的显著