基于弱形式求积元法的复合材料层合加筋壳稳定性及动响应研究

发布时间：2020-04-29 09:01

【摘要】：复合材料层合壳已经成为土木、机械、海洋工程以及航天航空工业等领域中不可或缺的材料之一。尤其在航天航空工业领域中,复合材料层合壳因其质轻的特点和优秀的力学性能而备受青睐。为了达到飞行器减重的目的,飞行器的梁腹、机身蒙皮、机翼以及尾翼等部件均大量采用复合材料层合壳及其加筋形式。在服役过程中,这些部位将承受各种静力载荷、温度载荷以及由于高速气流造成的冲击载荷,其破坏形式往往表现为大变形屈曲破坏。因此需要对热力耦合作用下的复合材料层合壳及其加筋形式热分叉屈曲和动力响应特性进行研究。针对以上问题,本文对复合材料层合壳及其加筋形式进行了非线性分叉屈曲和动力响应参数分析。该研究有助于优化结构设计,在保证安全的情况下有效减轻结构重量。弱形式求积元法(简称求积元)是一种基于变分原理和高阶插值近似思想,以数值积分和微分求积法为核心进行数值近似的微分方程求解方法。该方法在大尺度单元中对场变量的高阶近似能极大简化复杂几何构型求解域的处理过程。复合材料层合加筋壳构型复杂,其非线性分叉屈曲和动力响应分析计算规模庞大。为了减少计算量,提高计算效率,避免低阶有限元中常见的闭锁问题。本文选择五自由度壳模型和六自由度梁模型,基于求积元法构造复合材料层合圆柱壳及加筋圆柱壳模型,对其在热力场耦合作用下的分叉屈曲及动力响应进行研究,内容如下:(1)基于弱形式求积元法建立复合材料层合壳及加筋壳模型,结合弧长法及模态扰动法等路径追踪算法,构造了一种既能够准确识别分叉屈曲点,又能够对屈曲及分叉屈曲全过程进行追踪的新型高效分析方法。该方法有效解决了通用有限元程序因分叉点处结构的总体刚度矩阵退化而无法检测分叉屈曲点的问题,实现了对复合材料层合壳和加筋壳分叉屈曲点的监测及对所有分叉屈曲路径的准确追踪。(2)采用完全拉格朗日格式结合弧长法构造层合壳非线性平衡方程,监视系统切线刚度矩阵特征值,找出分叉屈曲点,施加与特征向量相应的扰动,追踪其屈曲路径。结果表明圆柱壳中部铺层顺序对分叉屈曲点的个数影响较大,顶部和底部铺层对分叉屈曲点个数几乎没有影响。此外,随着圆柱壳曲率的增大和厚度的减小,分叉屈曲点个数会增加。(3)将层合圆柱壳分叉屈曲计算方法应用于圆柱加筋壳。研究发现,圆柱壳90o铺层越多,加筋数目越少,则分叉屈曲点个数越多,但筋条的铺层顺序以及铺层形式均对分叉屈曲点个数影响不大。此外,可以通过提高筋条横截面高宽比、增加筋条数目、增加壳体90o铺层数目等方式提高圆柱壳的载荷极大值点。(4)引入温度场,追踪了层合圆柱壳和加筋壳热分叉屈曲路径,分析壳体铺层角度、曲率、厚度以及筋条对其热分叉屈曲的影响,研究发现,壳体顶部和底部铺层对热分叉屈曲路径数目影响较大,中部铺层影响较小,准各项同性铺层壳的热屈曲曲线单调上升,但非准各向同性铺层壳存在位移回跳现象。降低圆柱壳曲率、增加圆柱壳厚度、筋条数目以及筋条截面高宽比均能有效减少分叉屈曲路径数量;热力耦合作用下,圆柱壳及加筋壳主曲线载荷极大值点随着温度的升高而升高,但温度对分叉屈曲路径数量没有影响。(5)采用Newton-Raphson迭代法和Newmark法推导受边缘均布冲击载荷作用的壳体非线性动力平衡方程。计算圆柱壳铺层角度、几何参数以及冲击载荷峰值和持续时间、边界条件对壳体非线性动力响应的影响。研究发现,顶部和底部铺层对中心点的非线性动力响应曲线形状影响很大,中部铺层顺序对此影响不大。增加圆柱壳中部铺层角度为90o的铺层数目、降低壳体曲率、增加壳体厚度均能有效提高圆柱壳抗冲击性能。冲击载荷峰值越高、持续时间越短,则圆柱壳挠度峰值越大。(6)将层合圆柱壳非线性动力响应的计算方法应用于圆柱加筋壳。结果表明,增加壳体厚度、中部铺层为90o的铺层数目、加筋数目、筋条截面高宽比以及降低圆柱壳曲率均有助于提高加筋壳的抗冲击性能。本文基于求积元法对复合材料层合圆柱壳及加筋壳进行了非线性分叉屈曲、热分叉屈曲、热力耦合分叉屈曲和动力响应参数分析。实践证明求积元法在非线性分叉屈曲和动力响应分析中具有独到的优势。参数分析为复合材料层合圆柱壳及其加筋形式的设计和制造应用提供了的理论指导。
【图文】：

单层,复合材料,复合材料层合板,层合板

复合材料层合板具有比刚度大的特免共振现象。此外，作为多相材料，层合板的衰减。于单层板是以聚合物为基底材料，与玻璃纤物纤维等增强纤维进过缠绕压挤后而形成的生断裂，，在一定期限内也能够继续使用。所能更高物复合材料层合板及其应用板壳拥有良好的面内力学性能，沿纤维方向，抗剪切和抗冲击能力低[1]。为了满足在不可通过预先设计好的纤维铺层方向及叠放顺处理得到纤维增强复合材料层合板。

复合材料层合板

复合材料层合板
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

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