开孔复合材料机翼肋中应力集中奇异性的解析与数值分析

航空结构通常采用开孔蒙皮壁板和机翼肋，以在保持良好力学性能的同时减轻重量。然而，孔径大小、材料各向异性以及纤维取向对正交各向异性复合材料全局和净应力集中系数的综合影响尚未得到充分量化。本工作旨在分析由各向同性及正交各向异性复合材料制成的开孔壁板的应力集中行为。研究使用有限元法（Abaqus）和经典解析模型（Heywood、Lekhnitskii 和 Green-Zerna）对单轴拉伸载荷进行了建模，并通过 MATLAB 对玻璃/环氧树脂和碳/环氧树脂板进行了参数化计算作为补充。结果显示，在 10 MPa 的施加应力下，几何比 d/W = 0.5 时的最大应力集中系数为 Ktg ≈ 6.6，解析模型与数值模型之间的最大误差为 5%。当纤维取向为 0° 时，观察到集中系数降低了约 60%。最后，该研究提出了结合纤维几何形状/取向相容性极限的全局和局部应力集中图，在保留轻质、刚度及控制局部应力放大等优势的同时实现了复合材料机翼肋的优化，并为损伤和疲劳研究开辟了前景。