Прикладная механика композитов

(F“ / Ec) *10

Lip

ЛИТЕРАТУРА

1.Advanced Composite Design Guide, vol. II — Analysis, Table 2.2.2.-I, Air Force Materials Laboratory, Advanced Development Division, Dayton, Ohio, January 1973.

2.Almroth B. 0., et al. Structural analysis of general shells, user in­

structions for STAGSC, Vol. III. — Report No. LMSC D502277, Lock­ heed Structural Mechanics Laboratory, Lockheed Palo Alto Research Laboratory, Palo Alto, California, December 1975.

3. Anderson R. E., Mayers J. Effects of non-linear material behavior on postbuckling stiffness of laminated composite plates. — AIAA Paper 79-1806, presented at AIAA Aircraft Systems and Technology Meeting, New York. N. Y„ August 20—22, 1979.

4.Arnold R. R. Buckling, postbuckling, and crippling of materially nonli­ near laminated composite plates. — Ph. D. Dissertation, Stanford Uni­ versity, March 1983.

Б.Arnold R. R., Mayers J. Buckling, postbuckling, and crippling of mate­

(4th Conference). ASTMSTP617, 1977, p. 255—271.

p.187—193.

17.Spier E. E. Local buckling, postbuckling, and crippling behavior of gra­

phite-epoxy short thin walled compression members. — Naval Air Sys­ tems Command Report NASC-N00019-80-C-0174, July 1981.

18. Whitney J. M., Kim R. Y. Effect of stacking sequence on the notched strength of laminated composites. — Composite Materials: Testing and Design (4th Conference), ASTMSTP617, 1977, p.,229—242.

УСТОЙЧИВОСТЬ ПОДКРЕПЛЕННЫХ ПАНЕЛЕЙ

Р. Арнольд, К. Кедвард, Е. Спайер

Оглавление

1.0.Подкрепленные панели.

1.1.Начальная потеря устойчивости. 1.1.1. Трансверсальный сдвиг.

1.1.2.Подкрепление кромок. 1.1.3. Кривизна. 1.1.4. Комбинирован­ ное нагружение. 1.1.5. Влияние последовательности укладки слоев.

1.1.6.Чувствительность к несовершенствам. 1.1.7. Граничные усло­

вия.

1.2. Закритическое нагружение. 1.2.1. Закритическая жесткость. 1.2.2. Определение эффективной ширины. 1.2.3. Изменения длины волны 1.2.4. Перемещения/деформации.

1.3.Исчерпание несущей способности. 1.3.1. Закритическое локальное разрушение пластины (максимальная нагрузка). 1.3.2. Нарушение адгезионной связи с подкрепляющими элементами. 1.3.3. Разру­ шение и распространение трещины. 1.3.4. Усталость.

1.4.Заключение.

Литература.

1.0. Подкрепленные панели

Несущие конструкции, образованные панелями разной кривизны с подкреплением элементами жесткости в продоль­ ном направлении (стрингеры) или по периметру (рамы), ши­ роко распространены в авиационной и ракетной технике. Как правило, подкрепленные панели являются составной частью оболочечной конструкции, например фюзеляжа или хвостового оперения. В других случаях подкрепленная па­ нель представляет собой основной элемент конструкции ма­ лой кривизны типа крыла, вертикального или горизонталь­ ного стабилизатора. Система координат, схема нагружения панели и ее основные размеры показаны на рис. 1; представ­ лена схема многопролетной конструкции искривленной па­ нели, подкрепленной стрингерами, рамами (на рисунке не по­ казаны). На практике подкрепленная панель может испыты­

давлений, хотя с точки зрения устойчивости наиболее важны продольное сжатие, сдвиг в плоскости и давление.

Л) Arnold R. R., Kedward К. Т., Spier Е. Е. Stability critical stiffened panels. — In: Handbook of Composites. Vol. 2. Structures and Design. Eds. С. T. Herakovich and Yu. M. Tarnopol’skil. — Amsterdam: North-Holland, 1988, p. 623—665.

© 1988, Elsevier Science Publishers, В. V.

Рис. 1. Схема нагружения и размеры подкрепленной панели.

Существует довольно обширный теоретический и экспери­ ментальный материал, касающийся проектирования и анализа подкрепленных панелей из сплавов алюминия и стали. Во­ просы проектирования и технология этих панелей развива­ лись в основном в период последних 50 лет и всесторонне описаны в ряде официально утвержденных справочников по проектированию [21, 27, 34, 35]. Справочный материал для аналогичных конструкций из композитов вряд ли существует. Настоящая работа выявляет, насколько это возможно, важ­ нейшие особенности подкрепленных панелей из композитов, причем используются данные натурных экспериментов и от­ носительно новые теоретические разработки.

Будут рассмотрены расчетные и экспериментальные ре­ зультаты, относящиеся к металлическим и композитным под­ крепленным панелям. Сравнение поведения конструкций из этих двух различных материалов способствует пониманию преимуществ композитов и одновременно обеспечивает точку отсчета. Кроме того, считают, что и в следующем поколении авиационной техники все еще будут использоваться много­ численные элементы из металлов, несмотря на продолжаю­

для изготовления несущих конструкций.

Чтобы спроектировать подкрепленную панель как элемент конструкции, необходимо определить критическую нагрузку начальной потери устойчивости, описать закритическое по­ ведение и предсказать нагрузку, соответствующую исчерпа­ нию несущей способности. Далее будем рассматривать каж­ дый из этих этапов по отдельности. Следует отметить, что существуют две разные концепции проектирования, примени­ мые к расчету конструкций из подкрепленных панелей. Пер­ вая и наиболее простая исходит из того, что конструкция не должна терять устойчивость при расчетной максимальной нагрузке. Несущие аэродинамические поверхности, особенно для сверхзвуковых летательных аппаратов, обычно проекти­ руют с учетом этого требования. Когда нет ясности относи­ тельно закритического поведения конструкции, проектиро­ вание также ведут, исходя из того, что потеря устойчивости недопустима. Вторая концепция допускает потерю устойчи­ вости панели при нагрузке, составляющей некоторую долю от расчетной максимальной нагрузки для конструкции в целом, полагая, что свойства в закритической области позво­ ляют панели воспринимать некоторую долю нагрузки кон­ струкции и после потери устойчивости. В проектах самоле­ тов 30-х и 40-х годов закритическая концепция уже приме­ нялась для снижения массы металлических конструкций.

Однако, когда началось внедрение панелей из компози­ тов, эксперименты показали, что закритическую прочность трудно прогнозировать расчетным путем, а локальные разру­ шения в виде нарушения склейки подкрепляющих элементов

по сравнению с алюминиевой. Таким образом, проектирова­ ние и анализ композитных панелей, работающих в закрити­ ческой области, осуществлялись в основном эксперименталь­ ными и полуэмпирическими методами.

Представляется удобным обсуждать вопросы устойчиво­ сти конструкций подкрепленных панелей с позиций трех ха­ рактерных состояний в истории их нагружения: начальной потери устойчивости, закритического поведения и исчерпания несущей способности, или полного разрушения. Для конст­ рукций, не теряющих устойчивости в диапазоне эксплуата­ ционных нагрузок, важной характеристикой является лишь критическая нагрузка начальной потери устойчивости. Для закритических конструкций необходимо получить количе­ ственные оценки, характеризующие все три состояния. Где это возможно, далее будут приведены простые формулы для