本文關鍵詞：高強鋁合金加筋薄壁梁屈曲與極限承載特性研究

  更多相關文章： 加筋薄壁梁 高強鋁合金 屈曲 非均勻剪應力 極限承載特性 承載力相互作用

【摘要】：鋁合金加筋薄壁梁是飛機結構的主承力構件,其靜力破壞主要是由于結構屈曲失穩(wěn)造成的。薄壁梁屈曲問題涉及復雜的幾何非線性與材料非線性相互作用,難以進行解析求解;薄壁梁的結構形式往往復雜多變,這會引發(fā)復雜的局部-整體相互作用,進一步增加了屈曲問題的復雜性;實際的薄壁梁屈曲承載特性影響因素很多,對其進行合理的力學建模也面臨諸多挑戰(zhàn)。此外,與傳統(tǒng)加筋薄壁梁設計相比,由于材料強度的顯著提高,高強結構的幾何構造會發(fā)生改變,甚至是突破傳統(tǒng)設計方法所規(guī)定的適用范圍,這就需要對傳統(tǒng)設計方法在更大的參數(shù)變化范圍內的適用性進行驗證和完善以指導高強加筋薄壁梁設計。鑒于此,對高強鋁合金加筋薄壁梁屈曲承載特性進行研究,具有重要的理論意義和工程應用價值。本文結合實際工程技術需求,綜合解析法、有限元法與試驗法進行了某典型高強鋁合金加筋薄壁梁的彎剪承載特性研究,意在深入地探索薄壁梁承載機理,發(fā)展薄壁梁分析理論與方法,為工程結構設計規(guī)范的改進提供參考,主要工作包括以下內容:之前文獻的定性研究已經(jīng)表明,對于橫向剪力作用下薄壁梁腹板屈曲問題,與傳統(tǒng)的均勻腹板剪切假設相比,實際的非均勻剪應力分布可能極大地降低腹板屈曲承載力。為了將腹板非均勻剪應力分布效應納入工程結構設計,進行了端部橫向剪力作用下薄壁梁腹板的屈曲承載特性定量分析研究。提出了一個無量綱參數(shù)來表征翼緣彎曲剛度對腹板非均勻剪應力分布的影響。利用Rayleigh Ritz法進行腹板屈曲載荷影響參數(shù)識別分析,證實了腹板屈曲系數(shù)除了受腹板長寬比影響外還與翼緣彎曲剛度有關。進而,進行了Rayleigh Ritz法與有限元法的對比分析,探討了合理的腹板屈曲求解方法選取問題。利用優(yōu)選出的有限元模型進行了腹板屈曲參數(shù)化分析,結果表明,傳統(tǒng)均勻剪切屈曲預測值最大可以比實際值提高約一倍;當相對翼緣彎曲剛度相同時方板比其它長寬比矩形板更接近均勻受剪板;驗證了屈曲系數(shù)隨兩個自變量(腹板長寬比與相對翼緣彎曲剛度)的變化具有良好的規(guī)律性。最后,基于所驗證的規(guī)律性,提出了一個實用的腹板屈曲系數(shù)計算公式。進行了端部橫向剪力與彎矩共同作用下薄壁梁腹板屈曲承載力設計公式研究。本文提取并定義了一個新的基本載荷分量,稱為純非均勻剪力,以此來考慮腹板中非均勻剪切應力的影響。這樣,腹板受力可以視為均勻剪力、非均勻剪力和彎矩三種載荷的疊加。在之前的研究中已經(jīng)得到每種載荷單獨作用下腹板屈曲系數(shù)計算方法與均勻剪力-彎矩復合載荷作用下腹板屈曲承載力設計公式。本文基于有限元計算結果,提出了非均勻剪力分別與其它兩種載荷共同作用下腹板屈曲承載力計算公式。進而,在此基礎上提出與仿真計算結果吻合良好的全部三種基本載荷聯(lián)合作用下腹板屈曲相互作用設計公式。此外,利用有限元法對工程中常用的將橫向剪力處理為均勻剪切與彎矩共同作用的載荷簡化方法的有效性進行了評估,結果表明:利用傳統(tǒng)的載荷簡化方法進行長寬比大于1的寬腹板屈曲計算可能會得到偏于危險的計算結果。進行了彎剪載荷作用下某新型高強鋁合金加筋薄壁梁承載特性試驗研究。與之前的薄壁梁承載試驗研究相比,本試驗研究最顯著的成果為揭示了一種新的針對加筋薄壁梁的局部板元承載特性相互作用,即薄壁梁中組成板元的承載特性還會受到由加強筋隔開的其它板元的顯著影響。傳統(tǒng)研究認為:加強筋能夠發(fā)揮隔波作用,因而進行局部板元承載力計算時無需考慮被加強筋隔開的其它板元的影響。本試驗研究表明了傳統(tǒng)認知的局限性,拓展了對結構承載機理的理解。首先,進行了能夠滿足特定加載要求的裝夾、加載試驗裝置設計研究。然后,探討了不同構造參數(shù)(包括腹板開口和止裂筋設計)與約束條件對試驗模型的極限載荷與破壞模式的影響,最后考察了初始缺陷對試驗模型承載特性的影響。進行了彎剪載荷作用下加筋薄壁梁承載特性的非線性仿真研究。首先,從破壞模式、極限載荷與總體承載響應三個方面進行了有限元計算結果與試驗測試結果的對比分析,驗證了所創(chuàng)建的兩個有限元模型能夠很好地模擬相互作用所導致的承載特性差異。通過仿真分析探索了試驗研究所發(fā)現(xiàn)的加筋薄壁梁板元相互作用的發(fā)生機理。然后,進行了參數(shù)化分析研究以深化對板元相互作用的認知,探討了材料屈服強度對薄壁梁板元相互作用的影響規(guī)律;揭示了梁腹板構造參數(shù)變化對板元相互作用的影響,其影響能夠導致承載特性的顯著突變,并揭示了能夠引發(fā)局部板元相互作用的構造參數(shù)設計要求。最后,以上關于薄壁梁極限承載特性的研究均屬于薄壁梁強度研究范疇,鑒于剛度是與強度同樣重要的性能評價指標,本文還探究了薄壁梁承載響應過程中的剛度變化,承載響應結果表明薄壁梁在略低于極限載荷的載荷水平會發(fā)生剛度的顯著弱化,可能導致結構提前發(fā)生剛度失效,因此本文最終提出了一個可以考慮剛度變化的薄壁梁失效判定準則。
【關鍵詞】：加筋薄壁梁 高強鋁合金 屈曲 非均勻剪應力 極限承載特性 承載力相互作用
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V214.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 緒論15-31
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義15-17
• 1.2 薄壁結構彈性屈曲分析17-19
• 1.2.1 靜力平衡法17-18
• 1.2.2 有限元法18-19
• 1.3 彎剪載荷作用下薄壁梁承載特性研究19-23
• 1.4 腹板開.薄壁梁結構強度研究23-25
• 1.5 初始缺陷25-27
• 1.6 相關屈曲27-30
• 1.7 本文主要研究內容30-31
• 第2章 考慮翼緣彎曲剛度影響的腹板屈曲特性研究31-46
• 2.1 引言31
• 2.2 腹板屈曲分析模型31-32
• 2.3 腹板屈曲分析的Rayleigh Ritz法32-37
• 2.3.1 僅腹板承擔外載時腹板屈曲分析32-36
• 2.3.2 翼緣與腹板共同承擔外載時腹板屈曲分析36-37
• 2.4 腹板屈曲系數(shù)求解方法的優(yōu)選研究37-40
• 2.4.1 求解腹板屈曲系數(shù)的Rayleigh-Ritz法37-38
• 2.4.2 求解腹板屈曲系數(shù)的有限元法38-40
• 2.5 腹板屈曲特性參數(shù)化分析40-43
• 2.6 腹板屈曲系數(shù)設計公式43-44
• 2.7 本章小結44-46
• 第3章 非均勻剪應力與彎曲應力聯(lián)合作用下腹板彈性屈曲研究46-56
• 3.1 引言46
• 3.2 腹板屈曲相互作用分析模型46-48
• 3.3 三種基本載荷單獨作用下腹板屈曲承載力計算方法48-49
• 3.4 復合載荷作用下腹板屈曲相互作用研究49-55
• 3.4.1 純彎曲與均勻剪力聯(lián)合作用下腹板屈曲設計公式49-50
• 3.4.2 均勻剪力與純非均勻剪力聯(lián)合作用下腹板屈曲設計公式50-52
• 3.4.3 純彎曲與純非均勻剪力聯(lián)合作用下腹板屈曲設計公式52-53
• 3.4.4 三種基本載荷聯(lián)合作用下腹板屈曲設計公式53-55
• 3.5 本章小結55-56
• 第4章 高強鋁合金加筋薄壁梁彎剪試驗研究56-79
• 4.1 引言56
• 4.2 試驗設計56-63
• 4.2.1 試驗模型構造56-58
• 4.2.2 試驗模型材料性能58-59
• 4.2.3 試驗模型承載狀態(tài)59-62
• 4.2.4 試驗設備62-63
• 4.2.5 試驗加載過程63
• 4.3 試驗結果63-77
• 4.3.1 載荷分配一致性分析63-65
• 4.3.2 極限載荷65-66
• 4.3.3 破壞模式66-77
• 4.4 加筋薄壁梁局部板元相互作用77-78
• 4.5 本章小結78-79
• 第5章 薄壁梁彎剪承載特性非線性仿真研究79-99
• 5.1 引言79
• 5.2 薄壁結構載荷-響應全過程分析方法-弧長法79-82
• 5.3 有限元模型有效性驗證82-86
• 5.3.1 有限元模型82-84
• 5.3.2 數(shù)值模擬與試驗結果對比84-86
• 5.4 薄壁梁板元承載力相互作用機理研究86-89
• 5.5 材料屈服強度對薄壁梁承載特性的影響研究89-90
• 5.6 腹板構造參數(shù)對薄壁梁承載特性的影響研究90-96
• 5.6.1 開.尺寸對薄壁梁承載能力的影響91-92
• 5.6.2 開.位置對薄壁梁承載能力的影響92-93
• 5.6.3 腹板局部厚度對薄壁梁承載能力的影響93-94
• 5.6.4 腹板局部中面偏移對薄壁梁承載能力的影響94-96
• 5.7 薄壁梁失效準則研究96-97
• 5.8 本章小結97-99
• 結論99-102
• 附錄A 不同屈曲強度下仿真模型的破壞模式102-106
• 附錄B 不同開.尺寸下仿真模型的破壞模式106-109
• 附錄C 不同開.位置下仿真模型的破壞模式109-112
• 附錄D 不同腹板局部厚度下仿真模型的破壞模式112-114
• 附錄E 不同腹板局部中面偏移下仿真模型破壞模式114-116
• 參考文獻116-125
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文及其它成果125-127
• 致謝127-128
• 個人簡歷128

【參考文獻】

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本文編號：956341