基于能量原理的复合材料层合壳双稳态特性研究

发布时间：2020-03-08 08:16

【摘要】：双稳态壳是一种可开展空间结构,其双稳态特性指该种结构能在外载荷驱动下由一种稳态转变为另一种稳态,且无需外力维持。如:反对称铺设的复合材料层合圆柱壳结构类似卷尺,有伸展和卷拢两个形态。但与卷尺不同的是,双稳态壳结构在伸展和卷拢这两个形态下都是稳定的,不需要外力维持。这类结构近年来已经被用于可折叠结构、可变形机翼、能量收集器及自适应结构等可变形智能结构的研究与制造,应用前景十分广泛。本文的主要研究内容及成果如下:1.基于能量原理,建立了柱壳结构的双稳态理论模型,推导了各向同性圆柱壳、正对称铺设以及反对称铺设层合圆柱壳结构应变能的解析表达式,并通过算例分析,比较了三种壳双稳态特性的差异。导出了反对称铺设层合圆柱壳结构第二稳态卷曲半径解析解及实现双稳态特性的条件,并对实现双稳态铺设角所需满足的条件进行了算例分析。2.改进柱壳结构力学模型,理论推导了考虑边界效应时反对称铺设层合圆柱壳应变能的解析表达式。分析了边界效应对反对称铺设层合圆柱壳实现双稳态的影响,并通过数值算例分析,得到了壳横向截面尺寸参数变化时,边界效应对壳实现双稳态条件的影响规律。3.通过数值分析,比较了考虑及不考虑边界效应时壳结构尺寸、铺层数及铺设角等几何参数对反对称铺设层合圆柱壳第二稳态特性的影响规律。结果表明:同不考虑边界效应相比,考虑边界效应时第二稳态的应变能变小,卷曲半径变大,且规律也存在差异。4.在ABAQUS中建立了柱壳的有限元分析模型,对壳结构从第一种稳态到第二种稳态的转变过程进行了模拟,得到了几何参数对双稳态条件以及第二稳态特性的影响规律。结果表明:考虑边界效应时所得结果与有限元结果吻合更好。
【图文】：

最大von Mises 应力出现在成对角线的两角附近区域。5.4 von Mises 90-25-180-5-0.21-anti45°图5.5 展示了正对称铺设层合圆柱壳试件90-25-180-5-0.21-sym45°在ABAQUS 有限元数值分析中的稳态转变过程：（a）为正对称铺设圆柱壳在释放掉分析步2 施加于壳纵向两条边界上的位移荷载后，出现明显的扭转。（b）为由纵向卷曲开始变为横向卷曲。最终，，试件90-25-180-5-0.21-sym45°回复初始形态。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU33

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本文编号：2585520