【摘要】：復(fù)合材料層合殼已經(jīng)成為土木、機(jī)械、海洋工程以及航天航空工業(yè)等領(lǐng)域中不可或缺的材料之一。尤其在航天航空工業(yè)領(lǐng)域中,復(fù)合材料層合殼因其質(zhì)輕的特點(diǎn)和優(yōu)秀的力學(xué)性能而備受青睞。為了達(dá)到飛行器減重的目的,飛行器的梁腹、機(jī)身蒙皮、機(jī)翼以及尾翼等部件均大量采用復(fù)合材料層合殼及其加筋形式。在服役過(guò)程中,這些部位將承受各種靜力載荷、溫度載荷以及由于高速氣流造成的沖擊載荷,其破壞形式往往表現(xiàn)為大變形屈曲破壞。因此需要對(duì)熱力耦合作用下的復(fù)合材料層合殼及其加筋形式熱分叉屈曲和動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行研究。針對(duì)以上問(wèn)題,本文對(duì)復(fù)合材料層合殼及其加筋形式進(jìn)行了非線性分叉屈曲和動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)分析。該研究有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在保證安全的情況下有效減輕結(jié)構(gòu)重量。弱形式求積元法(簡(jiǎn)稱(chēng)求積元)是一種基于變分原理和高階插值近似思想,以數(shù)值積分和微分求積法為核心進(jìn)行數(shù)值近似的微分方程求解方法。該方法在大尺度單元中對(duì)場(chǎng)變量的高階近似能極大簡(jiǎn)化復(fù)雜幾何構(gòu)型求解域的處理過(guò)程。復(fù)合材料層合加筋殼構(gòu)型復(fù)雜,其非線性分叉屈曲和動(dòng)力響應(yīng)分析計(jì)算規(guī)模龐大。為了減少計(jì)算量,提高計(jì)算效率,避免低階有限元中常見(jiàn)的閉鎖問(wèn)題。本文選擇五自由度殼模型和六自由度梁模型,基于求積元法構(gòu)造復(fù)合材料層合圓柱殼及加筋圓柱殼模型,對(duì)其在熱力場(chǎng)耦合作用下的分叉屈曲及動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究,內(nèi)容如下:(1)基于弱形式求積元法建立復(fù)合材料層合殼及加筋殼模型,結(jié)合弧長(zhǎng)法及模態(tài)擾動(dòng)法等路徑追蹤算法,構(gòu)造了一種既能夠準(zhǔn)確識(shí)別分叉屈曲點(diǎn),又能夠?qū)η胺植媲^(guò)程進(jìn)行追蹤的新型高效分析方法。該方法有效解決了通用有限元程序因分叉點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣退化而無(wú)法檢測(cè)分叉屈曲點(diǎn)的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料層合殼和加筋殼分叉屈曲點(diǎn)的監(jiān)測(cè)及對(duì)所有分叉屈曲路徑的準(zhǔn)確追蹤。(2)采用完全拉格朗日格式結(jié)合弧長(zhǎng)法構(gòu)造層合殼非線性平衡方程,監(jiān)視系統(tǒng)切線剛度矩陣特征值,找出分叉屈曲點(diǎn),施加與特征向量相應(yīng)的擾動(dòng),追蹤其屈曲路徑。結(jié)果表明圓柱殼中部鋪層順序?qū)Ψ植媲c(diǎn)的個(gè)數(shù)影響較大,頂部和底部鋪層對(duì)分叉屈曲點(diǎn)個(gè)數(shù)幾乎沒(méi)有影響。此外,隨著圓柱殼曲率的增大和厚度的減小,分叉屈曲點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)增加。(3)將層合圓柱殼分叉屈曲計(jì)算方法應(yīng)用于圓柱加筋殼。研究發(fā)現(xiàn),圓柱殼90o鋪層越多,加筋數(shù)目越少,則分叉屈曲點(diǎn)個(gè)數(shù)越多,但筋條的鋪層順序以及鋪層形式均對(duì)分叉屈曲點(diǎn)個(gè)數(shù)影響不大。此外,可以通過(guò)提高筋條橫截面高寬比、增加筋條數(shù)目、增加殼體90o鋪層數(shù)目等方式提高圓柱殼的載荷極大值點(diǎn)。(4)引入溫度場(chǎng),追蹤了層合圓柱殼和加筋殼熱分叉屈曲路徑,分析殼體鋪層角度、曲率、厚度以及筋條對(duì)其熱分叉屈曲的影響,研究發(fā)現(xiàn),殼體頂部和底部鋪層對(duì)熱分叉屈曲路徑數(shù)目影響較大,中部鋪層影響較小,準(zhǔn)各項(xiàng)同性鋪層殼的熱屈曲曲線單調(diào)上升,但非準(zhǔn)各向同性鋪層殼存在位移回跳現(xiàn)象。降低圓柱殼曲率、增加圓柱殼厚度、筋條數(shù)目以及筋條截面高寬比均能有效減少分叉屈曲路徑數(shù)量;熱力耦合作用下,圓柱殼及加筋殼主曲線載荷極大值點(diǎn)隨著溫度的升高而升高,但溫度對(duì)分叉屈曲路徑數(shù)量沒(méi)有影響。(5)采用Newton-Raphson迭代法和Newmark法推導(dǎo)受邊緣均布沖擊載荷作用的殼體非線性動(dòng)力平衡方程。計(jì)算圓柱殼鋪層角度、幾何參數(shù)以及沖擊載荷峰值和持續(xù)時(shí)間、邊界條件對(duì)殼體非線性動(dòng)力響應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn),頂部和底部鋪層對(duì)中心點(diǎn)的非線性動(dòng)力響應(yīng)曲線形狀影響很大,中部鋪層順序?qū)Υ擞绊懖淮�。增加圓柱殼中部鋪層角度為90o的鋪層數(shù)目、降低殼體曲率、增加殼體厚度均能有效提高圓柱殼抗沖擊性能。沖擊載荷峰值越高、持續(xù)時(shí)間越短,則圓柱殼撓度峰值越大。(6)將層合圓柱殼非線性動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算方法應(yīng)用于圓柱加筋殼。結(jié)果表明,增加殼體厚度、中部鋪層為90o的鋪層數(shù)目、加筋數(shù)目、筋條截面高寬比以及降低圓柱殼曲率均有助于提高加筋殼的抗沖擊性能。本文基于求積元法對(duì)復(fù)合材料層合圓柱殼及加筋殼進(jìn)行了非線性分叉屈曲、熱分叉屈曲、熱力耦合分叉屈曲和動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)分析。實(shí)踐證明求積元法在非線性分叉屈曲和動(dòng)力響應(yīng)分析中具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。參數(shù)分析為復(fù)合材料層合圓柱殼及其加筋形式的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)用提供了的理論指導(dǎo)。
【圖文】：

復(fù)合材料層合板具有比剛度大的特免共振現(xiàn)象。此外，作為多相材料，層合板的衰減。于單層板是以聚合物為基底材料，與玻璃纖物纖維等增強(qiáng)纖維進(jìn)過(guò)纏繞壓擠后而形成的生斷裂，，在一定期限內(nèi)也能夠繼續(xù)使用。所能更高物復(fù)合材料層合板及其應(yīng)用板殼擁有良好的面內(nèi)力學(xué)性能，沿纖維方向，抗剪切和抗沖擊能力低[1]。為了滿足在不可通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)好的纖維鋪層方向及疊放順處理得到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板。

復(fù)合材料層合板
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB33

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本文編號(hào)：2644398