Nomex蜂窝芯静态压缩屈曲与后屈曲分析

基于自动铺丝工艺,为获得良好的蜂窝夹层结构自动铺放成型质量,建立了Nomex蜂窝芯在压辊压力下的屈曲、后屈曲和破坏整个失效过程的数值分析方法。采用线性屈曲分析法(特征值分析法)对蜂窝单元进行屈曲分析,得到一阶屈曲模态、屈曲特征值及屈曲载荷;引入初始结构几何缺陷,采用非线性屈曲分析法(弧长法)对Nomex蜂窝单元后屈曲行为进行分析,输出参考点RP-1的载荷-位移曲线,得到弧长法计算的屈曲载荷以及极限载荷值。通过对比试验结果与两种屈曲分析法得到:对于分析临界屈曲载荷,特征值法较弧长法更精确;而弧长法可以更好模拟结构的后屈曲行为,计算结果与试验数据基本吻合,为Nomex蜂窝夹心结构自动铺放成型过程中铺放压力的选取提供参考。     

新型空间可展单簧片结构屈曲分析

簧片结构作为新型空间可展铰链的核心部件,其典型的失效形式就是屈曲以及屈曲引起的各种损伤破坏。本文以新型空间可展单簧片结构为研究对象,基于ABAQUS软件分析平台,引入改进的弧长法进行非线性有限元分析,研究了簧片两端分别受纯弯曲和轴向压缩载荷作用下的屈曲行为。研究中考虑了初始几何缺陷和载荷偏心对结构稳定性及承载能力的影响。结果表明,引入初始几何缺陷后结构临界屈曲载荷明显下降,缺陷因子越大,计算得到的临界屈曲载荷越小,后屈曲承载能力越小。此外,载荷正向偏心时,随偏心量增加,临界屈曲载荷先增大而后递减;载荷负向偏心时,偏心量越大,临界屈曲载荷越小。该研究对于提高新型空间可展结构的稳定性具有一定的参考价值。     

复合材料机载天线罩有限元内力计算和屈曲稳定性分析

本文用有限元法计算了复合材料机载天线罩的内力,并对其进行了稳定性分析,得到了均布载荷作用下天线罩的内力和稳定性临界载荷及屈曲模态。文中选用轴对称截锥单元来离散天线罩,在应变向量阵中引入了横向剪切应变,从而考虑了剪切影响。为了避免剪切自锁,刚度的计算采用一点高斯积分法,几何刚度的推导采用Stricklin法。最终将稳定性问题归结为特征值问题。数值算例表明,对于复合材料旋转壳,横向剪切变形使其临界载荷降低;天线罩内力较大的区域集中在头部附近,失稳发生在根部附近,增加根部的厚度可改善天线罩的稳定性。     

筒段边界对大直径贮箱椭球箱底的内压稳定性影响研究

基于薄膜理论得到的椭球箱底应力分布没有考虑筒段边界的影响,不能真实反映椭球箱底/筒段结构的应力状态。利用有限元方法得到大直径贮箱椭球底/筒段结构的临界失稳载荷及负应力分布,同时进行材料的线性和非线性稳定性计算,得到椭球底/筒段结构的弹性和塑性临界屈曲模数。研究结果表明:筒段边界对椭球箱底环向屈曲存在抑制作用,筒段边界的存在导致箱底弹性临界失稳载荷较理论值偏大22.5%,环向负应力区域会向箱底顶端方向偏移,最大值出现在箱底赤道线偏上;椭球底/筒段结构的弹性临界屈曲模数为1.52,较理论值1.414大7.5%;材料进入塑性后,塑性变形将有助于缓解椭球箱底/筒段结构的塑性屈曲,塑性临界屈曲模数将高于弹性临界屈曲模数。     

含面芯脱粘边缘闭合蜂窝壁板压缩稳定性研究

基于有限元软件ABAQUS,分别建立了无损伤和含板芯脱粘缺陷的边缘闭合蜂窝壁板的三维有限元模型。利用3种建模方法对比研究了边缘闭合蜂窝壁板在压缩载荷作用下的屈曲载荷规律和失稳模式。采用夹芯板理论将蜂窝芯等效为正交各向异性结构,板芯之间的胶层使用cohesive单元进行模拟。研究结果表明:随着脱粘尺寸的增加,蜂窝壁板的屈曲载荷呈现下降趋势;当30 mm≤D≤80 mm时结构由混合屈曲过渡到局部屈曲;两种等效模型发生局部屈曲后,无论是结构的屈曲载荷规律和屈曲载荷值还是失稳模式,均近似接近原始模型结果。     

软芯三明治梁受移动点载荷作用的动力响应

为了得到软芯三明治梁在移动集中载荷下的动力响应,基于扩展的高阶三明治梁理论和Hamilton原理,建立了任意节点的弱形式求积三明治梁单元,利用微分求积法的权系数显式表达式给出了单元刚度矩阵和质量矩阵的公式,并验证了刚度矩阵和简化质量矩阵的正确性和方法的有效性,结果表明弱形式的求积单元法具有精度和计算效率高的优点。然后,采用中心差分法首次给出了两端固支软芯三明治梁在移动集中载荷作用时的动力响应。本文的研究拓展了弱形式求积法的应用范围。     

任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲行为的解析解

给出了一种求解任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲问题的解析方法。首先将加筋板简化为受弹簧约束的层合板,而后通过构造位移函数,并利用伽辽金法得到了加筋板压缩、剪切和压剪载荷下的屈曲/后屈曲解析解。求解中引入了无量纲参数,使得结果更具一般性;在后屈曲行为中考虑了初始缺陷和由耦合刚度引起的前屈曲挠度,使得结果更加准确。通过与有限元结果的比较,讨论了几何参数、弹簧刚度等对解的影响。最后将该方法应用于T形加筋对称铺层复合材料加筋板的屈曲/后屈曲分析中,考虑T形筋对复合材料层板粘结区的刚度增强作用,采用刚度平均化方法引入增强效果,并与两种T形筋刚度简化模型以及有限元结果进行了比较,验证刚度平均化方法对计算加筋板屈曲/后屈曲行为的有效性。     

GFRP泡沫夹芯管轴压局部屈曲试验分析（英文）

为研究玻璃纤维增强塑料(Glass fiber reinforced plastic,GFRP)泡沫夹芯管轴向受压局部屈曲性能,本文开展了以聚氨酯泡沫为芯层的GFRP泡沫夹芯管的轴向受压屈曲试验,并在试验的基础上开展了局部屈曲性能数值模拟分析,得到了这种结构的屈曲破坏现象和相关参数影响规律。研究表明,GFRP泡沫夹芯圆柱壳的局部屈曲有共同屈曲和分层屈曲两种形式;端部局部屈曲、端部剪切破坏和界面剥离是比局部屈曲更低效的破坏形式,需通过构造措施来加以抑制;局部屈曲承载力随芯层密度的增加而线性增加;当芯层密度较高(大于0.05g/cm~3)时,增加芯层密度对提高承载效率的效果对于壁厚较大的试件不如对壁厚较小的试件明显;局部分层屈曲是比局部共同屈曲承载效率更低的破坏形式,可通过提高芯层密度加以抑制,保证内外管壁协调工作;夹芯圆柱壳承载力均随高径比的增加而增加,但承载效率随高径比的增加而持续下降。     

弯扭载荷作用变刚度复合材料圆柱壳的屈曲优化

通过曲线纤维轨迹设计,变刚度复合材料圆柱壳将拥有比常刚度(直线纤维)圆柱壳更好的抗屈曲稳定性。为研究弯扭载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料圆柱壳屈曲性能的影响,建立了变刚度复合材料圆柱壳的参数化有限元模型,结合序列二次响应面方法和圆柱壳屈曲优化模型建立了复合材料圆柱壳曲线纤维轨迹优化的设计流程;以准各向同性铺层复合材料圆柱壳为比较基准,对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。数值结果表明:弯扭载荷作用下,变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高,均好于准各向同性圆柱壳,但扭矩载荷占优时,优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势。     

导弹复合材料立尾的动力特性分析

对Ｈｅｌｌｉｎｇｅｒ－Ｒｅｉｓｓｎｅｒ变分原理进行了详尽论述。依据该变分原理推导了基于折线假设的复合材料层板元素的刚度矩阵，复合材料面板蜂窝夹芯元素的刚度矩阵。在形成元素刚度矩阵时，在子域一极求逆节省大量机时。介绍了动力特性的分析和试验方法。运用Ｈ－Ｒ元素计算了导弹复合材料立尾的动力持性，取得了满意的结果。     

斜直井中钻柱螺旋屈曲的非线性有限元分析

建立了斜直井中有重钻柱螺旋屈曲非线性有限元分析方法，提出了对重力相关项的处理方法，在力学模型中考虑了重力、扭矩和井斜角对临界载荷的影响，并将计算结果与理论分析做了比较。分析结果表明，本文建立的有重钻柱螺旋屈曲非线性有限元分析方法是正确的，在相同条件下钻柱螺旋屈曲临界载荷随井斜角增大而增大，且呈非线性；临界载荷随扭矩增大而减小，且井斜角较大时减小幅度较大；钻柱重力线密度对临界载荷的影响大小与井斜角和屈曲模态有关。     

基于压弯刚度匹配论则的复合材料加筋板结构优化设计

提出一种评估加筋板承载效率的量化方法,用于初步实现复合材料加筋板中加强筋布局与尺寸的优化.讨论了不同压缩与弯曲刚度的匹配模式对于复合材料加筋板临界失稳载荷的影响.将全局失稳载荷、局部失稳载荷与静载荷的接近程度作为评判结构承载效率的指标,构建了一种以压缩、弯曲刚度系数作为设计变量并反映结构效率的代理模型,避免了局部最优点的出现,更利于数值寻优.通过一种典型复合材料加筋板的有限元分析验证,发现压-弯刚度匹配模式与结构效率之间存在明显关系.优化后壁板的临界失稳载荷与所施加的静载荷基本一致,从而验证了基于承载效率以及结构总体刚度匹配关系的优化方法的可行性.     

柔性支撑上FGM矩形薄板热屈曲的封闭形式解

针对典型的热防护组合结构建立物理模型,基于经典薄板理论(CPT),选取中性面为分析平面,推导出柔性支撑上FGM矩形薄板热屈曲方程。利用分离变量法得到了柔性支撑上FGM矩形薄板热屈曲问题的封闭形式解,该方法不仅适用于对边简支情况也适用于四边固支情况。分别对均匀升温、线性升温和非线性升温三种温度场的临界屈曲热载荷进行了计算,与已有文献结果对比验证了本文方法以及结果的正确性,同时进行了数值分析并给出结论。     

热力联合作用下圆板屈曲临界状态分析

本文基于热力联合作用下圆板轴对称大挠度的Galerkin近似解,出了薄圆板的轴对称屈曲临界条件。并将屈曲条件与级数型大挠度表达式的系数求解方程联立,计算得到了屈曲临界挠度－温升和临界横载－温升关系。这些关系曲线给出了挠度－温升和横载－温升坐标面上板的轴对称屈曲区域,并指出：临界挠度与温升或临界横载与温升都呈非线性递增关系。将本文解析解结果与有限元结果以及文献中相关的结果比较,说明本文结果是合理的。     

微分求积单元法分析变曲率井内受径向约束管柱的非线性屈曲

基于Love的空间弯扭杆平衡方程,通过引入井壁约束条件导出了平面变曲率井内受径向约束管柱的平衡方程。采用微分求积单元和增量迭代法求解了曲率线性变化的井内管柱的非线性屈曲问题,通过与有限元计算结果的对比验证了所构建方法和编写程序的正确性,而且还表明微分求积单元法有方法简单、易于实施,计算量少、精度较高等优点。计算结果表明,等曲率井内管柱屈曲的临界载荷明显大于曲率线性变化井内管柱屈曲的临界载荷,另外,变曲率井眼的曲率变化对管柱弯矩、井壁约束力有显著的影响。     

基于遗传算法的复合材料圆柱壳屈曲多目标优化设计

针对复合材料圆柱壳屈曲载荷最大化和缺陷敏感度最小化问题,提出以铺层纤维方向角为设计变量的基于遗传算法的多目标优化方法,采用层合壳屈曲理论计算临界载荷和统计方法计算缺陷敏感度,对由多个个体组成的群体施加选择、交叉和变异等演化操作,通过多代进化得到问题的pareto解.算例优化结果与采用离散方法得到的目标空间解边界比较吻合,验证了方法的准确性和有效性.     

空间智能天线夹芯结构热变形力学分析

空间智能天线夹芯结构是一种集承载、维形和微波通讯于一体的多功能结构。该结构将微带天线阵列植入复合材料夹芯结构蜂窝芯体中,既满足了结构力学和热力学性能要求,又满足了被植入天线的电性能要求,实现了空间结构的多功能化,降低了系统综合质量。本文针对低地球轨道的空间热环境,选取低热膨胀系数、低密度、高强度、高模量、耐高温及透波性好的复合材料,基于复合材料力学经典理论分析设计了面内热膨胀系数接近于零的复合材料蜂窝夹芯结构面板,并且对空间智能天线夹芯结构在低地球轨道典型空间环境下的结构热力学响应进行了有限元分析。结果表明,该空间多功能智能天线夹芯结构可以满足在轨空间温度环境下结构变形指标要求。     

含缺陷铝蜂窝道面板弯曲和疲劳特性

为了研究面板厚度及不同类别、不同程度的先天缺陷对铝蜂窝夹芯结构道面板疲劳性能的影响,对7组铝蜂窝夹芯道面板试样进行三点弯曲静载试验和三点弯曲疲劳试验。结果表明:面芯脱焊缺陷对铝蜂窝道面板的疲劳性能影响最大,含10%和30%面芯脱焊缺陷的试件疲劳性能分别降低了76%和92%,说明防止面芯脱焊缺陷至关重要。经分析,铝蜂窝道面板弯曲疲劳特性服从威布尔分布,相关系数超过0.95以上。对完好试样和含不同类别、不同程度先天缺陷的试样分别建立了反映应力水平和疲劳性能关系的威布尔方程。     

复合材料夹层圆柱壳的轴对称失稳问题

本文首先给出复合材料夹层圆柱壳大挠度问题的一般方程,然后在轴对称变形条件下进行简化,得到轴对称变形的非线性方程。在此基础上用摄动法,给出了复合材料夹层圆柱壳轴压轴对称屈曲方程,该方程与齐次边界条件一起构成分析轴对称失稳的特征值问题。通过详细分析得到了该特征值问题的解,无量纲的轴压临界值表达成无量纲的抗弯刚度参数,夹芯抗剪刚度参数和Badtoff几何参数的简单函数。通过这些无量纲参数,轴压临界值实际上是复合材料工程弹性常数,夹心横向剪切模量,各层纤维铺设角,铺层数,夹心相对于表层的厚度和圆柱壳参考中面几何尺寸的函数。     

轴压下圆柱加筋壳的热屈曲

圆柱加筋壳轴压和温度载荷下的稳定性是高速航天结构设计和安全评估中的关键问题。本文针对简支边界条件下纵横加筋圆柱壳在轴压和温度载荷联合作用下的屈曲问题进行了理论分析,考虑了加筋条的偏心效应以及材料属性的温度相关性,给出了临界屈曲载荷和温度载荷的解析表达式。测试算例验证了本文结果的可靠性,本文结果为研究各种几何和材料参数对轴压纵横加筋圆柱壳屈曲载荷的影响以及结构优化设计提供了重要的理论参考。