含功能梯度材料涂层及几何缺陷的薄壳热屈曲问题研究

发布时间：2020-05-14 11:22

【摘要】：含功能梯度材料(Functionally graded material,FGM)涂层薄壳结构不仅相较于金属薄壳结构具有更好的高温力学性能和耐腐蚀性能,而且相较于纯FGM薄壳具有造价更为低廉的优点,因此在航空航天、交通运输、石油化工、核能和航海等领域中具有很大的应用前景。由于含FGM涂层薄壳结构多用于存在高温载荷或者剧烈温度梯度载荷的工况,因此在这些结构中热应力的存在无法避免。为了避免这些结构因热应力的存在发生稳定性失效,在对这些结构进行设计时不仅需要进行强度计算,还需要考虑这些结构的热屈曲问题。论文首先从结构形式较为简单的金属矩形板的热屈曲问题入手,研究边界条件对薄壁板壳结构热屈曲行为的影响,从而澄清了现有文献中圆柱壳结构热屈曲临界温升解析解不一致问题。研究结果表明:部分文献中忽略了边界条件对热应力的影响,从而导致了金属圆柱壳热屈曲临界温升解析解不一致性。热屈曲临界温升解析解不一致性问题的澄清为工程人员对金属圆柱壳的热屈曲设计提供更加科学的依据。然后,基于经典板壳理论和Donnell位移应变关系,论文进一步推导了含FGM涂层圆柱壳结构的热屈曲临界温升解析解。同时,基于多层离散建模的思想,论文还基于ANSYS和ABAQUS软件建立了FGM涂层圆柱壳结构的有限元模型,对临界屈曲温升进行数值求解,从而验证了理论解的可靠性。此外,由于所推导的解析解形式过于复杂,不便于工程计算,论文还提出了一种用于含FGM涂层圆柱壳结构热屈曲临界温升近似计算的工程公式。在一定范围内,该公式具有较高的精度,从而为工程设计人员计算含FGM涂层圆柱壳结构的热屈曲临界温升提供了方便。由于实际生产过程中圆柱壳结构会因为制造工艺的限制而存在各类几何缺陷。对此,论文基于Koiter模型和Galerkin方法进一步对含FGM涂层和轴对称几何缺陷的圆柱壳热屈曲行为进行了研究。结果表明:缺陷幅值、FGM涂层中陶瓷相的体积分数以及温升载荷的形式对临界温升具有重要影响。该研究结果为含功能梯度材料涂层和轴对称缺陷的圆柱壳抗热屈曲设计提供了理论依据。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

【参考文献】

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本文编号：2663271