【摘要】：以平衡型穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)為約束條件,以等強(qiáng)度和提高臨界失穩(wěn)載荷為設(shè)計目標(biāo),對夾層復(fù)合材料圓柱殼體的纏繞表層進(jìn)行了優(yōu)化研究。首先,基于等強(qiáng)度設(shè)計,得到表層的最優(yōu)纏繞方式為螺旋加環(huán)型纏繞,且螺旋纏繞角應(yīng)滿足α≤54.7°;其次,以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性為雙重指標(biāo),采用ABAQUS建立有限元模型,求解不同長徑比的夾層復(fù)合材料圓柱殼的最優(yōu)螺旋纏繞角α_(opt)。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)長徑比0.5≤η≤3時,隨η增加,表層的最優(yōu)纏繞方式從單一螺旋加環(huán)型纏繞過渡至縱向鋪放加環(huán)向纏繞,且最大臨界失穩(wěn)載荷Pcr近似呈二次遞減關(guān)系。該優(yōu)化方法不僅可達(dá)到輕量化要求,而且滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性雙重指標(biāo)。
【圖文】：

?1．1設(shè)計思路纖維纏繞的主要網(wǎng)絡(luò)單元有4種，即單一螺旋型、螺旋加環(huán)型、螺旋加縱向型、縱向加環(huán)型，考慮到工程應(yīng)用條件，本文僅對單一螺旋纏繞和螺旋加環(huán)型兩種纏繞方式進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計分兩步走:第一步，基于平衡型網(wǎng)絡(luò)理論，以等強(qiáng)度設(shè)計為目標(biāo)，得到滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的纏繞方式、纏繞層厚度、纏繞角度等參數(shù)，此時對應(yīng)的結(jié)果并非唯一解;第二步，在滿足等強(qiáng)度設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件，建立結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算模型，以提高最大臨界失穩(wěn)載荷為目標(biāo)，得到同時滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求的最優(yōu)解，具體流程見圖1。圖1圓柱殼體表層最優(yōu)纏繞設(shè)計流程Fig．1Optimaldesignprocessoffilament-woundcylindersurface1．2實施步驟對于均勻靜水壓力載荷作用下，采用螺旋加環(huán)向纏繞的復(fù)合材料夾層耐壓圓柱殼，設(shè)螺旋纏繞角度為±α，環(huán)向纏繞角度為π/2。取殼體的軸向坐標(biāo)為z，環(huán)向坐標(biāo)為θ，分別平行于θ和z方向切取單位長度的網(wǎng)絡(luò)單元［8］。由平衡方程得，圓柱殼體的軸向和環(huán)向薄膜內(nèi)力為:Nz=pＲ2Nθ{=pＲ(1)式中，Ｒ為圓柱殼體半徑，p為均布壓力的大校因芯材的模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表層碳纖維復(fù)合材料，忽略芯材對表層纖維應(yīng)力的影響。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)單元處于平衡狀態(tài)時，則纖維張力與薄膜內(nèi)力必須滿足如下關(guān)系:Nz=σfαhfαcos2αNθ=σfαhfαsin2α+σfθhf{θ(2)式中，σfα為螺旋纏繞纖維應(yīng)力，σfθ為環(huán)向纏繞纖維應(yīng)力，hfα為螺旋纏繞纖維厚度，hfθ為環(huán)向纏繞纖維厚度。平衡型應(yīng)變狀態(tài)時，，εfα=εfθ=ε，所以σfα=σfθ。此時式子(2)變?yōu)?Nz=σfhfαcos2αNθ=σf(h

塹ピsC8Ｒ模擬，模型底部約束軸向位移及兩個轉(zhuǎn)角的自由度(U3=UＲ1=UＲ2=0)，頂部采用MPC技術(shù)將頂部端面與參考點ＲF等效約束，同時約束軸向位移及三個轉(zhuǎn)角的自由度(U3=UＲ1=UＲ2=UＲ3=0)，施加均勻靜水外壓，頂部于MPC參考點施加等效軸向集中力載荷，邊界條件和載荷設(shè)計見圖3。表1表層材料HF10/EM301力學(xué)性能Tab．1MechanicalpropertiesofsurfacematerialHF10/EM301縱向壓縮模量/GPa橫向壓縮模量/GPa面內(nèi)剪切模量/GPa縱向壓縮強(qiáng)度/MPa橫向壓縮強(qiáng)度/MPa面內(nèi)剪切強(qiáng)度/MPa1118．674113218582．8圖2夾層復(fù)合材料圓柱殼體模型(η=1，2，3)Fig．2Finitemodelsofsandwichcompositecylinderswithdifferentη圖3邊界條件與載荷設(shè)計Fig．3Boundaryconditionsandloaddesign2．1不同纏繞角度下的最優(yōu)纏繞方式對于螺旋加環(huán)向纏繞及單一螺旋纏繞復(fù)合材料圓柱殼，當(dāng)纏繞角α≤54.7°時，結(jié)構(gòu)滿足平衡型網(wǎng)絡(luò)要求。由式(8)、(9)，計算不同纏繞角α所對應(yīng)的螺旋纏繞與環(huán)向纏繞厚度比例，如表2所示。表2不同纏繞角對應(yīng)的纏繞方式Tab．2Windingpatternchangingoverdifferentwingdingangle編號纏繞角α/(°)纖維鋪層比例90°方向±α方向100．660．34250．660．343100．660．344150．640．365200．620．386250．590．417300．560．448350．50．59400．430．5710450．330．6711500．190．811254．701采用有限元軟件ABAQUS，建立結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算模型，分別計算采用上述纏繞方式的復(fù)合材料圓柱殼在靜水外壓作用下的臨界失穩(wěn)載荷，并繪制η=1，2，3的復(fù)合材料夾層圓柱殼失穩(wěn)載荷pcr隨螺旋纏繞角αp的變化規(guī)律曲線(圖4)。由圖4可知:對于長徑比η=1，2，3的復(fù)合材料圓柱殼，最優(yōu)化
【作者單位】： 海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院;海軍工程大學(xué)艦船工程系;
【基金】：國家部委基金資助項目(9140A14080914JB11044) 海軍工程大學(xué)自然科學(xué)基金
【分類號】：TB33

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10 張峰;李s

本文編號：2546587