含界面脱粘的穿孔加筋复合材料板在湿热和面内边界载荷作用下的屈曲分析
Buckling analysis of perforated stiffened composite plates with interfacial debonding under hygrothermal and in-plane edge loadings
摘要整理
工程复合材料结构通常采用加筋设计以增强穿孔板的强度，同时避免质量显著增加。然而，加筋与蒙皮间的界面脱粘在外部载荷作用下会严重危害结构完整性，导致失效。本研究针对含界面脱粘的穿孔加筋层板在非均匀边界载荷和环境条件下的屈曲行为进行了深入分析。采用计算高效的降阶有限元（FE）方法，利用二维板单元和一维梁单元降低计算成本。板和加筋法兰采用9节点杂交单元以消除剪切锁定现象，加筋腹板和肋采用3节点等参梁单元表示。为考虑加筋扭转行为，在腹板和肋的公式中引入扭转修正因子。通过在加筋法兰处引入独立位移场的虚拟节点，并采用虚拟弹簧连接板和穿透法兰节点，模拟界面脱粘，防止节点穿透。在粘结区域强制位移连续性以保证加筋与板的位移场兼容性。采用动力学方法在两种边界条件下评估屈曲载荷，考虑运行和环境效应。同时引入湿热相关的材料性能参数，以体现湿热载荷对材料弹性行为的影响。初步研究确定了最优载荷模式和孔径几何形状以增强屈曲性能。相比以往研究，本工作考察了多种加筋构型，评估了穿孔板在非均匀边界载荷下的稳定性，并确定了改善屈曲承载力的最优构型。分析表明，采用SP-3加筋构型的圆形孔板相比SP-2设计的屈曲抗力提高了42.86%。脱粘使四边简支（CCSS）板的屈曲承载力降低20.14%，在加筋深度ds/bs=7的湿热条件下尤为显著。较大孔径在参考湿热状态下因脱粘导致CCSS板稳定性降低2.70%。相比之下，湿热条件下脱粘使较小孔径的两边简支（SSCC）板屈曲强度降低38.44%，突出了约束条件的影响。本研究为在苛刻工况下优化设计以确保结构稳定性、耐久性和经济性奠定了基础。