复合材料薄壁加筋结构能充分发挥层合板结构可设计性好的优点,并易于实现高效减重,目前已成为航空航天结构中广泛应用的轻质复合材料结构形式。该类结构的合理应用涉及加筋形式与截面设计、工艺制备、选型分析、结构优化和承载能力验证等多个环节,其中,在各个环节都涉及到一些关键力学问题。解决好这些基本问题可以极大提高此类结构的承载效率,大幅提高减重效果。本文首先以复合材料帽型加筋壁板结构为例,开展了硅橡胶热膨胀成型工艺固化过程中树脂压力研究,探讨了其中的关键工艺力学问题;对不同截面形式的单向加筋壁板结构在轴压载荷下的破坏过程进行了试验验证和有限元数值仿真模拟,获得了不同截面形式单向加筋壁板的失效行为特征,分析了其失效机理;进而选取帽型和工字型两种典型加筋壁板结构,开展了优化设计研究,并针对工字型复合材料加筋壁板进行了单轴载荷多约束条件下的结构效率分析,得到了一些有益的结论;在单向加筋壁板力学性能研究的基础上,开展了格栅加筋结构的力学性能分析和总体屈曲性态研究,并开发了应用分析软件。具体工作包含以下四个方面:(1)采用硅橡胶热膨胀工艺制备了碳纤维复合材料加筋壁板,利用不同尺寸的硅胶芯模及在线树脂压力测试系统测试,分析了成型过程中硅胶芯模热膨胀压力和复合材料制件内部树脂压力的变化规律,考察了硅胶芯模截面设计对加筋壁板成型压力的影响。结果表明:采用在线树脂压力测试系统,可实现复合材料制件内部树脂压力的测试;工艺间隙和硅橡胶内的温度分布对树脂压力及硅橡胶的热胀压力有重要影响。面向制备碳纤维复合材料帽型长桁壁板采用硅橡胶热膨胀工艺,实现产品形状和尺寸的精度控制,有效降低加筋壁板的制造缺陷的实际工程问题。对不同形式的硅胶软模在固化升温过程中的形状和尺寸变化进行了数值仿真分析,分析结果对实现最佳维型效果的硅胶软模细节设计具有参考价值,对减少利用试验进行不断试错的过程、提高生产效率具有重要意义。(2)采用试验与数值计算相结合的方法,研究了工型和帽型等复合材料单向加筋壁板在压缩载荷作用下的屈曲行为和破坏模式。采用无损检测光学手段来非接触探测壁板表面的全场屈曲挠度,捕捉屈曲模态演化过程和破坏模式,基于光学原理进行了数据分析和图像还原;建立了基于有限元分析平台的数值模拟方法,预测了帽型加强筋壁板复合材料结构的屈曲与后屈曲行为,用定量的试验数据来对比数值预测的壁板屈曲形状,对比试验和数值分析的位移的差异性,得到了此类结构在静压缩载荷作用下的破坏机理。(3)针对工型和帽型加筋壁板的几何参数对结构破坏模式和承载能力的影响开展了系统研究,并开展了复合材料格栅加筋结构的力学分析方法研究;通过建立复合材料单向加筋壁板单元的基本力学假设和计算分析模型,提出了一种多约束条件下进行结构效率快速分析的方法,并利用该方法对典型的复合材料单向加筋壁板结构进行了结构效率分析,得到了其结构效率随各设计参数的变化趋势和相对最优结构参数。综合考虑筋条总体稳定性、局部稳定性、结构静强度约束及其之间相互影响,并在基本假设的基础上将复合材料结构离散变量转化为独立的连续设计变量,使得结构力学性能分析和优化设计大为简化,最后和试验及有限元分析所得结果进行比较,吻合得较好。本研究结果为复合材料加筋板设计提供了直接参考,具有较好的实际工程应用和参考价值。(4)面向工程应用,在CATIA和PATRAN/NATRAN软件的基础上,经过二次开发,编制了能够快速完成CAD建模、CAE建模和分析、校核以及优化的通用CAE分析和优化软件。软件所有的建模操作和图形展示均在基于CAD建模软件CATIA中完成;并根据用户创建的CAD模型通过后台接口程序自动调用有限元建模软件PATRAN创建对应的有限元模型,然后再调用有限元分析软件NASTRAN完成模型的位移、应力/应变分析。最后,软件将自动调用校核模型完成结果的校核工作并将计算结果用图形化的方式展现在CATIA图形显示区。在完成静强度分析后,软件将辅助用户创建优化用的简化模型,并根据既定的优化策略和优化算法完成优化设计。该软件能完成机翼、尾翼及机身等飞机结构的建模、分析、校核及优化工作。