高强铝合金加筋薄壁梁屈曲与极限承载特性研究

发布时间：2017-10-01 23:33

  本文关键词：高强铝合金加筋薄壁梁屈曲与极限承载特性研究

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【摘要】：铝合金加筋薄壁梁是飞机结构的主承力构件,其静力破坏主要是由于结构屈曲失稳造成的。薄壁梁屈曲问题涉及复杂的几何非线性与材料非线性相互作用,难以进行解析求解;薄壁梁的结构形式往往复杂多变,这会引发复杂的局部-整体相互作用,进一步增加了屈曲问题的复杂性;实际的薄壁梁屈曲承载特性影响因素很多,对其进行合理的力学建模也面临诸多挑战。此外,与传统加筋薄壁梁设计相比,由于材料强度的显著提高,高强结构的几何构造会发生改变,甚至是突破传统设计方法所规定的适用范围,这就需要对传统设计方法在更大的参数变化范围内的适用性进行验证和完善以指导高强加筋薄壁梁设计。鉴于此,对高强铝合金加筋薄壁梁屈曲承载特性进行研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文结合实际工程技术需求,综合解析法、有限元法与试验法进行了某典型高强铝合金加筋薄壁梁的弯剪承载特性研究,意在深入地探索薄壁梁承载机理,发展薄壁梁分析理论与方法,为工程结构设计规范的改进提供参考,主要工作包括以下内容:之前文献的定性研究已经表明,对于横向剪力作用下薄壁梁腹板屈曲问题,与传统的均匀腹板剪切假设相比,实际的非均匀剪应力分布可能极大地降低腹板屈曲承载力。为了将腹板非均匀剪应力分布效应纳入工程结构设计,进行了端部横向剪力作用下薄壁梁腹板的屈曲承载特性定量分析研究。提出了一个无量纲参数来表征翼缘弯曲刚度对腹板非均匀剪应力分布的影响。利用Rayleigh Ritz法进行腹板屈曲载荷影响参数识别分析,证实了腹板屈曲系数除了受腹板长宽比影响外还与翼缘弯曲刚度有关。进而,进行了Rayleigh Ritz法与有限元法的对比分析,探讨了合理的腹板屈曲求解方法选取问题。利用优选出的有限元模型进行了腹板屈曲参数化分析,结果表明,传统均匀剪切屈曲预测值最大可以比实际值提高约一倍;当相对翼缘弯曲刚度相同时方板比其它长宽比矩形板更接近均匀受剪板;验证了屈曲系数随两个自变量(腹板长宽比与相对翼缘弯曲刚度)的变化具有良好的规律性。最后,基于所验证的规律性,提出了一个实用的腹板屈曲系数计算公式。进行了端部横向剪力与弯矩共同作用下薄壁梁腹板屈曲承载力设计公式研究。本文提取并定义了一个新的基本载荷分量,称为纯非均匀剪力,以此来考虑腹板中非均匀剪切应力的影响。这样,腹板受力可以视为均匀剪力、非均匀剪力和弯矩三种载荷的叠加。在之前的研究中已经得到每种载荷单独作用下腹板屈曲系数计算方法与均匀剪力-弯矩复合载荷作用下腹板屈曲承载力设计公式。本文基于有限元计算结果,提出了非均匀剪力分别与其它两种载荷共同作用下腹板屈曲承载力计算公式。进而,在此基础上提出与仿真计算结果吻合良好的全部三种基本载荷联合作用下腹板屈曲相互作用设计公式。此外,利用有限元法对工程中常用的将横向剪力处理为均匀剪切与弯矩共同作用的载荷简化方法的有效性进行了评估,结果表明:利用传统的载荷简化方法进行长宽比大于1的宽腹板屈曲计算可能会得到偏于危险的计算结果。进行了弯剪载荷作用下某新型高强铝合金加筋薄壁梁承载特性试验研究。与之前的薄壁梁承载试验研究相比,本试验研究最显著的成果为揭示了一种新的针对加筋薄壁梁的局部板元承载特性相互作用,即薄壁梁中组成板元的承载特性还会受到由加强筋隔开的其它板元的显著影响。传统研究认为:加强筋能够发挥隔波作用,因而进行局部板元承载力计算时无需考虑被加强筋隔开的其它板元的影响。本试验研究表明了传统认知的局限性,拓展了对结构承载机理的理解。首先,进行了能够满足特定加载要求的装夹、加载试验装置设计研究。然后,探讨了不同构造参数(包括腹板开口和止裂筋设计)与约束条件对试验模型的极限载荷与破坏模式的影响,最后考察了初始缺陷对试验模型承载特性的影响。进行了弯剪载荷作用下加筋薄壁梁承载特性的非线性仿真研究。首先,从破坏模式、极限载荷与总体承载响应三个方面进行了有限元计算结果与试验测试结果的对比分析,验证了所创建的两个有限元模型能够很好地模拟相互作用所导致的承载特性差异。通过仿真分析探索了试验研究所发现的加筋薄壁梁板元相互作用的发生机理。然后,进行了参数化分析研究以深化对板元相互作用的认知,探讨了材料屈服强度对薄壁梁板元相互作用的影响规律;揭示了梁腹板构造参数变化对板元相互作用的影响,其影响能够导致承载特性的显著突变,并揭示了能够引发局部板元相互作用的构造参数设计要求。最后,以上关于薄壁梁极限承载特性的研究均属于薄壁梁强度研究范畴,鉴于刚度是与强度同样重要的性能评价指标,本文还探究了薄壁梁承载响应过程中的刚度变化,承载响应结果表明薄壁梁在略低于极限载荷的载荷水平会发生刚度的显著弱化,可能导致结构提前发生刚度失效,因此本文最终提出了一个可以考虑刚度变化的薄壁梁失效判定准则。
【关键词】：加筋薄壁梁 高强铝合金 屈曲 非均匀剪应力 极限承载特性 承载力相互作用
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V214.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 绪论15-31
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义15-17
• 1.2 薄壁结构弹性屈曲分析17-19
• 1.2.1 静力平衡法17-18
• 1.2.2 有限元法18-19
• 1.3 弯剪载荷作用下薄壁梁承载特性研究19-23
• 1.4 腹板开.薄壁梁结构强度研究23-25
• 1.5 初始缺陷25-27
• 1.6 相关屈曲27-30
• 1.7 本文主要研究内容30-31
• 第2章 考虑翼缘弯曲刚度影响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 仅腹板承担外载时腹板屈曲分析32-36
• 2.3.2 翼缘与腹板共同承担外载时腹板屈曲分析36-37
• 2.4 腹板屈曲系数求解方法的优选研究37-40
• 2.4.1 求解腹板屈曲系数的Rayleigh-Ritz法37-38
• 2.4.2 求解腹板屈曲系数的有限元法38-40
• 2.5 腹板屈曲特性参数化分析40-43
• 2.6 腹板屈曲系数设计公式43-44
• 2.7 本章小结44-46
• 第3章 非均匀剪应力与弯曲应力联合作用下腹板弹性屈曲研究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 三种基本载荷单独作用下腹板屈曲承载力计算方法48-49
• 3.4 复合载荷作用下腹板屈曲相互作用研究49-55
• 3.4.1 纯弯曲与均匀剪力联合作用下腹板屈曲设计公式49-50
• 3.4.2 均匀剪力与纯非均匀剪力联合作用下腹板屈曲设计公式50-52
• 3.4.3 纯弯曲与纯非均匀剪力联合作用下腹板屈曲设计公式52-53
• 3.4.4 三种基本载荷联合作用下腹板屈曲设计公式53-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第4章 高强铝合金加筋薄壁梁弯剪试验研究56-79
• 4.1 引言56
• 4.2 试验设计56-63
• 4.2.1 试验模型构造56-58
• 4.2.2 试验模型材料性能58-59
• 4.2.3 试验模型承载状态59-62
• 4.2.4 试验设备62-63
• 4.2.5 试验加载过程63
• 4.3 试验结果63-77
• 4.3.1 载荷分配一致性分析63-65
• 4.3.2 极限载荷65-66
• 4.3.3 破坏模式66-77
• 4.4 加筋薄壁梁局部板元相互作用77-78
• 4.5 本章小结78-79
• 第5章 薄壁梁弯剪承载特性非线性仿真研究79-99
• 5.1 引言79
• 5.2 薄壁结构载荷-响应全过程分析方法-弧长法79-82
• 5.3 有限元模型有效性验证82-86
• 5.3.1 有限元模型82-84
• 5.3.2 数值模拟与试验结果对比84-86
• 5.4 薄壁梁板元承载力相互作用机理研究86-89
• 5.5 材料屈服强度对薄壁梁承载特性的影响研究89-90
• 5.6 腹板构造参数对薄壁梁承载特性的影响研究90-96
• 5.6.1 开.尺寸对薄壁梁承载能力的影响91-92
• 5.6.2 开.位置对薄壁梁承载能力的影响92-93
• 5.6.3 腹板局部厚度对薄壁梁承载能力的影响93-94
• 5.6.4 腹板局部中面偏移对薄壁梁承载能力的影响94-96
• 5.7 薄壁梁失效准则研究96-97
• 5.8 本章小结97-99
• 结论99-102
• 附录A 不同屈曲强度下仿真模型的破坏模式102-106
• 附录B 不同开.尺寸下仿真模型的破坏模式106-109
• 附录C 不同开.位置下仿真模型的破坏模式109-112
• 附录D 不同腹板局部厚度下仿真模型的破坏模式112-114
• 附录E 不同腹板局部中面偏移下仿真模型破坏模式114-116
• 参考文献116-125
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果125-127
• 致谢127-128
• 个人简历128

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 任伟新,曾庆元;薄壁结构局部-整体相关屈曲研究现状[J];力学进展;1993年03期

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本文编号：956341