随着纤维增强(FRP)复合材料低成本制造技术和大型民用飞机结构技术的快速发展,大量采用复合材料的结构是新一代大型客机结构设计的突出特点。然而复合材料本身的复杂性和结构多样性,加上复合材料结构所受载荷的复杂性和使用环境的敏感性,使得复合材料结构力学性能的预测和评估非常复杂。比如飞机结构从制造到使用过程中难以避免地会面临各种损伤问题,如制造中的各种缺陷,结构设计需要的开口,以及使用与维修中外来物引起的冲击损伤等。损伤的存在会降低复合材料的刚度与强度,进而对结构的承载特性和破坏模式的影响也不容忽视,也是FRP复合材料在飞机主承力结构中应用的主要限制因素。因此,针对含有损伤复合材料结构的失效模式进行分析是工程应用中的重点与难点,研究其承载能力的方法,并对其使用性能进行预测、评估变得尤其重要和迫切,具有重要的学术价值和工程意义。本文结合实际工程技术需求,以飞机实际构件中典型的含开口复合材料梁腹板为研究对象,开展含开口复合材料结构的理论分析、数值模拟及试验研究,旨在深入地探求其稳定性与强度的关系以及开口梁腹板承载机理,发展复合材料结构开口的强度分析方法,为复合材料结构开口设计及其工程应用提供理论依据及试验参考,主要工作包括以下内容:研究了工字型开口梁腹板在纯剪切载荷作用下的弹性屈曲性能。首先利用Galerkin法推导出了四边简支正交各向异性层合板屈曲计算公式,给出了影响结构屈曲的主要力学参数;然后利用线性特征值屈曲方法分析了复合材料单块矩形板和开圆口矩形板的弹性剪切屈曲性能,分别探究了长宽比、开口率与其剪切屈曲系数的变化规律,揭示了长宽比与开口率对其屈曲性能影响之间的相互作用规律,提出了含开口的长正交各向异性板屈曲简化计算公式;最后进一步建立了工字型开口梁腹板在剪切荷载作用下的有限元模型,引入参数β量化地评估了翼缘对腹板的约束作用,得到了翼缘对腹板屈曲的嵌固系数γ范围为1.01~2.87,提出了考虑梁翼缘对腹板弹性约束作用的开口梁腹板屈曲修正系数。进行剪切载荷作用下含单开口梁腹板静力承载特性研究。根据试验结果分析了不同开口梁腹板的失效模式及原因,发现开口梁腹板的材料损伤起始于开口边应力集中区域,且在开口边观察到多种损伤模式;其失效的主要原因在于纤维损伤和分层引起的子层局部屈曲。基于试验验证的仿真模型进行了开口形状对梁腹板应力集中及结构屈曲临界载荷影响的参数分析,发现圆形开口有利于其屈曲性能,但菱形开口更可发挥其后屈曲强度优势,证实了开口形状对屈曲载荷影响不大,但与后屈曲承载能力的相关性很大。最后评探究了复合材料结构典型开口补强对其承载特性的影响,给出了优选的开口补强形式及补强效果。进行了剪切载荷作用下的含长圆形开口复合材料梁腹板承载特性非线性仿真和试验验证。基于“蔡吴失效准则”,建立了考虑几何非线性的含长圆形开口复合材料梁腹板承载特性仿真模型,数值模拟结果能够准确预测结构首层破坏载荷和破坏区域。提出了一种基于刚度折减方案的材料失效模型,模拟了开口梁腹板的内部损伤起始、损伤积累和扩展过程,发现开口梁腹板的剪切失效模式是沿45°方向的开口边层受压屈曲而局部产生纤维脱层及层间剥离等多种损伤形式。利用三维CDM模型模拟层内损伤和界面单元模拟分层损伤,建立了一套适用于开口梁腹板结构渐进损伤分析的通用方法,实现了复合材料开口梁腹板在剪切载荷作用下从损伤产生、子层屈曲扩展和失稳破坏的逐渐破坏过程。通过试验研究和仿真手段详细分析了含有双菱形开口的复合材料工字型梁腹板在剪切载荷作用下的承载特性。结果表明:相比于单开口梁腹板,双开口梁腹板在非开口区域的应变分布更为平均,但开口边上的应力应变集中现象更严重,导致双开口区域的失效模式复杂化;两开口本身在承担和传递载荷有所差异,但双开口之间有相互作用,体现在两框结构内发生局部屈曲时载荷不同但是又近似,而且进入后屈曲阶段,两区域呈现相似的承载变形特征。然后以有限元方法为分析手段进行仿真建模到模型有效性验证,开展了边界条件、腹板开口与立柱补强等因素对梁腹板稳定性和承载特性影响的研究,探究了不同构型梁腹板的承载特性,揭示了双菱形开口梁腹板的剪切失效模式。设计了一套能够满足开口梁腹板低速冲击要求的试验加载装置,进行了P2352W-19复合材料梁腹板抗低速冲击性能及剩余剪切强度试验。首先通过冲击能量摸索试验,确定了梁腹板的目视几乎不可见损伤(BVID)所需冲击能量为55J。用落锤试验的手段得出了两类构型梁腹板在三种不同冲击能量下的低速冲击特性,分析了冲击响应接触力、能量、速度、变形的基本特性和变化规律。对冲击后的梁腹板进行凹坑深度测量和C扫描无损检测,发现复合材料层合板在低能量冲击载荷下分层破坏主要集中在层合板的背部,总体上随能量增加呈现出上升的趋势,且凹坑深度也增大。通过冲击后的梁腹板剩余剪切强度试验,得到了冲击能量和位置等因素对失效载荷和失效模式的影响规律。