1 概述
 
    復合材料格柵結構作為一種新型的結構形式，不僅繼承了復合材料結構比強度和比剛度高、隔熱防震以及結構可設計性好等特點, 還具有其自身所固有的環境魯棒性、自動化的低成本制造過程以及結構有效性和可靠性高等諸多優點, 在汽車、航空航天等領域中有著廣泛的應用前景，因而逐漸得到工程界的重視。

    研究表明，復合材料格柵結構失效主要表現為結構的失穩，包括三種基本模式：蒙皮失穩，筋條失穩和整體失穩。從材料和結構的利用效率而言：若在工程應用中出現前兩種模式，則不能充分發揮結構和材料的承載能力，在一定程度上造成材料的浪費，結構的經濟性差；若在設計工作狀態下出現整體失穩，即蒙皮與筋條同時失穩，則結構和材料得到充分利用，經濟性好。結構工程師關心的問題就是，如何通過優化復合材料格柵結構的蒙皮與筋條的材料和結構，避免在實際應用中出現只出現蒙皮失穩或筋條失穩，從而實現整體失穩。

    目前研究復合材料格柵結構變形和失效機理的研究手段，主要是試驗測試法。但是，由于現階段復合材料格柵結構的制造技術和生產工藝尚不成熟，研制試驗樣品的成本相對較高，通過大量的試驗來分析其失效機理的成本相對較高。因此，本文試圖在試驗標定的基礎上，利用大型有限元軟件MSC.Nastran進行了仿真試驗，通過這種方式探索復合材料格柵結構的失效機理，從而縮短研制周期，降低研制成本，提高經濟性。
 
    本文分析蒙皮參數和筋條方向一定時，筋條幾何參數變化對復合材料格柵結構失穩類型的影響。
 
2 數值仿真模型
 
    本文建立的數值仿真分析模型與試驗試件的形狀和尺寸一致，如圖1所示。蒙皮為復合材料層合板，共24層，鋪層順序是（60/0/-60/0/60/0/- 60/0/60 /0/-60/0）s，筋條為0度單向帶。蒙皮的基本幾何參數如下：長21.5in，寬18.5in，厚度為0.07in。材料特性見表1。蒙皮和筋條均采用平面四邊形單元模擬。采用簡支邊界條件，均勻壓力沿板的長邊施加。采用MSC.Patran做模型的前后處理工具，MSC.Nastran為分析模塊。

圖1 復合材料格柵壁板模型圖
 

表1 材料特性

3 計算及結果分析
 
    為了了解復合材料格柵結構的結構參數對屈曲載荷的影響，把握格柵結構的失效規律，在蒙皮厚度和加筋肋的截面積不變的情況下，通過改變筋條的高度研究結構的屈曲載荷和屈曲形式的規律。部分工況的計算結果見表2。

表2 筋條幾何參數變化對結構失穩形式的影響

（說明：表中A、和h分別表示筋條橫截面積、厚度和高度；Frtcr為失穩臨界載荷。）

    表2給出了三種不同橫截面面積筋條幾何參數變化時，臨界失穩載荷及失穩模式的數值仿真實驗結果。圖2給出了臨界失穩載荷隨筋條高度的變化趨勢。

圖2 臨界失穩載荷隨筋條高度的變化趨勢

圖3整體失穩模式

    從表2中的失穩類型可以看出：筋條橫截面積相同的情況下，隨著高度的變化，整體失穩、蒙皮失穩和筋條失穩這三種模式將依次出現。在給定的這種蒙皮條件下，當筋高在0.1in至0.2in之間時，結構將呈現整體失穩（如圖3所示），隨筋條高度的增加屈曲載荷變大。隨著筋條高度的繼續增加，結構的失穩類型轉變為局部蒙皮失穩（如圖4所示），從圖2可以看出隨著筋高的增加屈曲載荷變小。當筋條高度增加到某臨界值時，結構的失穩類型轉變為筋條局部屈曲（如圖5所示）。從參數分析也可看出，隨著筋條面積的增大，處于中間部分蒙皮失穩的數值也增大。

圖4 蒙皮局部失穩模式

圖5 筋條局部失穩

4 結論
 
    本文通過對簡支復合材料格柵結構的數值仿真實驗，得到以下幾個基本結論：

1. 在筋條橫截面積相同的情況下，隨著筋條高度的增加，依次出現：整體失穩、蒙皮失穩和筋條失穩這三種模式；
2. 在筋條橫截面積相同且均發生整體失穩的情況下，隨著筋條高度的增加，臨界失穩載荷將隨之增加；
3. 筋條高度相等時，橫截面積越大（即筋條越厚），臨界失穩載荷越大；
4. MSC.Patran和Nastran為實現大規模的數值仿真試驗提供了強有力的工具，能夠有效地提高工作效率，降低研究成本。