包铝层对铝合金薄板屈曲的影响分析

谭建

珠海通用航空制造研发基地 广东珠海 519040

摘要：为提高铝合金的耐腐蚀性，常在其表面包上一层纯铝形成包铝板，但屈服强度很低的包铝层会降低包铝板的力学性能，本文分析了包铝层对薄板屈曲临界应力的影响，并给出了一种包铝板屈曲计算的方法。

关键词：包铝；屈曲；临界应力

0 引 言

高强度铝合金材料具有密度小、比强度高等优点，广泛应用于航空航天结构。但高强度铝合金在沿海湿热、高盐份的环境中容易发生腐蚀，为提高其耐腐蚀性，常在高强度铝合金表面包上一层纯铝，形成包铝板。由于纯铝的屈服强度很低，包铝层会使包铝板的力学性能降低，进行强度计算时需要考虑。

金属材料手册给出的包铝板力学性能参数综合考虑了高强度铝合金芯材和包铝层的力学性能，在一般的强度计算时直接采用这些参数就能满足工程要求。但对于航空航天结构中常见的薄板屈曲计算，由于包铝层位于外表面，对刚度的贡献很大，直接采用包铝板总厚度和力学性能参数进行计算可能偏危险。

1 包铝板的力学性能

包铝板由中间的高强度铝合金芯材和表面的包铝层组成，不同厚度包铝板的包铝层厚度占比不同，如图1所示。

图1 包铝板示意

芯材、包铝层和包铝板的应力应变曲线如图2所示。由于包铝层屈服强度很低，使得包铝板的力学性能相对芯材或非包铝板有一定的降低。

图2 芯材、包铝层和包铝板的应力应变曲线

2 包铝层对屈曲临界值的影响

以常见的四边简支平板为例，分析包铝层对薄板屈曲临界值的影响。参考《实用飞机结构应力分析及尺寸设计》第10章“薄板屈曲计算”，以宽度40mm、厚度1mm的矩形2024-T3包铝板为例，对比了采用包铝板参数和采用芯材参数的屈曲临界值，详见表1。计算结果表明，直接采用包铝板的总厚度和弹性模量比采用芯材厚度和弹性模量得到的屈曲临界应力大11.9%。另外，由于屈曲临界应力远大于包铝层的屈服强度，直接采用包铝板的总厚度和模量进行屈曲计算偏危险。

表1 四边简支平板压缩临界屈曲应力

按包铝板的总厚度和力学性能参数计算	包铝板弹性模量E	66880	MPa
	板宽度b	40	mm
	板厚度t	1.0	mm
	屈曲临界应力σcr	154.3	MPa
按芯材厚度和力学性能参数计算	芯材弹性模量E	73774	MPa
	板宽度b	40	mm
	芯材厚度t	0.9	mm
	屈曲临界应力σcr	137.9	MPa

3 包铝板屈曲计算的方法

对于厚度较小的包铝板，由于包铝层的厚度占比较大，屈曲分析时如果直接采用包铝板的总厚度和弹性模量进行计算，得到的屈曲临界值相比实际情况偏大，可能使结构设计偏危险。建议按以下步骤对含包铝层的薄板进行屈曲计算：

1）根据包铝板的材料牌号和厚度，查找相应的材料标准，确定包铝层的厚度占比；

2）根据结构形式，计算实际结构中高强度铝合金芯材的厚度，例如采用化铣工艺时一般仅会保留一侧的包铝层；

3）用高强度铝合金芯材厚度和芯材的力学性能参数进行薄板屈曲计算。

4 总结

根据包铝板的组成分析了包铝层对薄板屈曲的影响，发现按传统方法直接采用包铝板的总厚度和弹性模量进行屈曲计算偏危险，建议按芯材厚度和弹性模量计算屈曲临界值。

参考文献:

[1] 牛春匀. 实用飞机结构应力分析及尺寸设计[M]// 航空工业出版社, 2009.

[2] Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS)