用于多种夹层板等效的有限元分析法

针对夹层板力学性能解析法难于计算复杂结构的夹层板且通用性差的问题,本文采用有限元分析法研究了夹层板性能的等效方法。对夹层板的代表体单元模型施加位移约束,模拟弯曲变形时线性独立的应变分量和弯曲内力;根据夹层板内力与应变的本构关系,求出刚度矩阵;最后由刚度矩阵得出宏观等效弹性常数,从而把夹层板等效成连续材料的单层板单元。将该方法与解析法计算结果进行比较得到的夹层板单元四个主要弹性常数误差在0.2%以内,验证了该方法的有效性;另外采用该方法等效三种典型结构夹层板,比较实际模型和等效模型的弯曲响应,得到的误差均在1.4%以内,表明该方法在不考虑复杂多变的夹芯结构时具有通用性。     

硬夹心矩形夹层板的整体稳定性分析

摘要：本文在Reissner型理论给出的位移模式基础上,修正其软夹心假设,考虑夹心层面内刚度,给出了硬夹心夹层板的几何方程、物理方程,建立了硬夹心夹层板结构在面内纵向载荷作用下的平衡微分方程,并对方程进行了简化,通过理论计算得到了四边简支条件下硬夹心矩形夹层板整体失稳临界载荷的解析解,并分别计算了夹心层材料的弹性模量 、厚度 、泊松比 对硬夹心夹层板临界载荷的影响,结果证明,对于硬夹心夹层结构,夹心层面内刚度对硬夹心夹层板整体失稳临界载荷的影响较大,考虑其面内刚度是必要的。     

四边简支硬夹芯夹层板的弯曲问题研究

现有的夹层结构理论都是将夹芯视为软夹芯,忽略了其面内应力分量和弯曲刚度.该理论不能满足近年来出现的硬夹芯夹层结构.对此,考虑了以上被忽略的因素,修正了Reissner理论的软夹芯假设,提出了考虑夹芯面内应力分量和弯曲刚度的硬夹芯夹层板基本假设.根据最小势能原理得到了硬夹芯夹层板弯曲的基本方程和边界条件,给出了四边简支硬夹芯夹层板在横向载荷下弯曲的解析解.另外本文还研究了硬夹芯夹层板弯曲问题的有限元法,推导了四节点四边形等参单元的有限元列式,并用MATLAB编程求解了具体算例.     

静载荷对夹层圆板超谐波共振的影响

研究静载荷作用下夹层圆板的超谐波共振问题．基于Hoff型夹层板理论,给出了静载荷作用下夹层圆板的非线性动力学方程．应用Galerkin法推导了静载荷作用下夹层圆板的轴对称非线性振动方程．运用多尺度法分别对系统的三次超谐波问题和二次超谐波问题进行了求解,并依据Lyapunov稳定性理论得到了系统稳态运动的稳定性判据．通过算例,得到了周边简支约束下夹层圆板三次超谐波共振和二次超谐波共振的幅频响应曲线图、振幅-静载荷响应曲线图、振幅-激励力幅值响应曲线图;研究了不同参数对系统振幅的影响规律,并对解的稳定性进行了分析．     

阻尼夹层筋板结构有限元动力分析

在小变形线弹性理论基础上，导出了粘弹性阻尼夹层筋板壳结构的有限元动力方程，构造了壳单元、阻尼夹层壳单元和开口薄壁梁单元。采用这些单元可以很好地模拟具有不连续阻尼夹层处理的筋板壳结构。数值分析采用［３］中提出的两次渐近法。通过一块阻尼加筋板的特征分析和振动测量，证实了所建立的有限元两次渐近法的良好精度和广泛的工程适用性。     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

用通用单元计算板的固有振动和弹性稳定

本文用依据二类变量广义变分原理构造的一种新型的考虑横向剪切影响的任意四边形四节点通用单元[8],研究板的固有振动和弹性稳定问题,计算了各种类型板的固有频率、振型和临界载荷,得到了满意的结果,此单元具有通用性好、公式推导和程序编制简单等特点,并有显式的刚度矩阵和质量矩阵,可节省计算时间。     

一种精确积分的四结点板弯曲单元

本文从Ｍｉｎｄｌｉｎ／Ｒｅｉｓｓｎｅｒ理论出发,采用一种新的平行四边形母单元和相应的形函数推导四结点板弯曲单元刚度矩阵的精确积分解。弯曲应变和横向剪切应变分别采用不同的插值公式构成单元刚度矩阵。理论和算例分析表明本文方法克服了“闭锁”现象并能应用于很薄的板,单元刚度矩阵计算速度比采用数值积分计算的同类单元的快四倍。     

矩形夹层板的非线性磁弹性随机振动

以表层较薄、夹心较软的四边简支矩形夹层板为研究对象,分析其在磁场环境中的非线性磁弹性随机振动问题。根据板壳磁弹性基本理论、夹层板的弯曲振动理论、连续体的随机振动理论,利用伽辽金积分法得到了在电磁场中受横向随机载荷作用时四边简支矩形夹层板的非线性磁弹性随机振动方程;并利用FPK方程法解出了四边简支矩形夹层板非线性随机振动位移响应和速度响应的方差、位移响应和速度响应的概率密度等多个数字特征。最后针对具体算例,通过数值模拟讨论了电磁参数、功率谱密度参数、板的几何尺寸的变化对各数字特征的影响。由数值模拟结果可知,调节随机激励、磁场强度、板的几何尺寸的大小能有效地控制结构随机振动产生振动位移的概率。     

泡沫铝子弹高速撞击下铝基复合泡沫夹层板的动态响应

应用一级轻气炮驱动泡沫铝弹丸高速撞击加载技术,对实心钢板以及前/后面板为Q235钢板、芯层分别为铝基复合泡沫和普通泡沫铝的夹层板结构,在脉冲载荷作用下的动态力学响应进行实验研究。结果表明:泡沫铝子弹高速撞击靶板可近似模拟爆炸载荷效果;铝基复合泡沫夹层板的变形分为芯层压缩和整体变形两个阶段;与其他靶板相比,铝基复合泡沫夹层板的抗冲击性能最优。基于实验研究,应用LS-DYNA非线性动力有限元软件,对泡沫铝夹层板的动态响应进行数值模拟。结果表明:泡沫铝子弹的长度和初始速度对子弹与夹层板之间的接触作用力影响显著,并且呈线性关系。泡沫芯层强度对等质量及等厚度夹层板的抗冲击性能均有显著影响,夹层板中心挠度对前、后面板的厚度匹配较为敏感,在临界范围内,若背板厚度大于面板厚度,可减小夹层板的最终挠度。夹层板面板宜采用刚度较低、延性好、拉伸破坏应变较大的金属材料。     

考虑横向拉伸影响的FGM夹层板动不稳定性分析

以受多种形式面内载荷作用下的功能梯度夹层矩形板为研究对象,夹层板的功能梯度层组分材料沿厚度方向按幂律分布,考虑组分材料物性参数的温度相关性。研究中所用的位移场在Reddy高阶剪切变形理论基础上考虑了横向拉伸的影响。利用能量原理和Galerkin法得到四边简支功能梯度材料夹层矩形板的动力学模型。运用Bolotin法求得了系统的动不稳定区域。对比结果表明考虑横向拉伸影响时与文献中的对比更接近,并详细研究了几何物理参数、环境温度以及不同分布形式的面内外载荷对系统动不稳定区域的影响,结果表明:随着金属体积分数指数、长宽比、静态载荷参数、载荷比的增加,系统参数激励动不稳定区域的宽度增加;随着温差、长厚比、面内载荷分布系数的增加,系统参数激励动不稳定区域的宽度减小。     

非对称结构铝合金波纹夹层板的三点弯曲力学性能研究

针对车辆轻量化问题,通过模压和胶结技术,制作了比现有实心铝合金板减重20%的具有平台结构的铝合金非对称结构波纹夹层板。对三点弯曲加载条件下非对称结构波纹夹层板的破坏模式进行了理论分析,得到了该结构的三点弯曲破坏模式图。通过三点弯曲加载测试,对比分析了实心板材与非对称结构铝合金波纹夹层板的三点弯曲性能,并验证了非对称结构波纹夹层板的破坏模式。研究结果表明,在三点弯曲载荷作用下,非对称结构铝合金波纹夹层板的刚度和强度均显著高于现有的实心板材,厚度为10mm、15mm波纹板的弯曲刚度分别是实心板的4.4倍、8.9倍,二者的弯曲强度分别是实心板的1.4倍以上、2倍以上。     

夹层板的边界单元法

本文提出了Ｒｅｉｓｓｎｅｒ型和Ｈｏｆｆ型夹层板的直接边界单元法。从夹层板弯曲问题的基本方程出发，利用偏微分算子导出了夹层板偏微分方程的基本解，由此建立起问题的边界积分方程组，采用边界单元法求解，所得结果具有较高精度。     

正交复合材料面层夹层板非线性理论及应用

针对复合材料面层夹层板的构造和变形特点，考虑横向剪应力在面层和芯层粘结处的连续条件，应用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理建立了基于五个未知函数的正交铺设复合材料面层夹层板的非线性精化理论。对静力学问题，控制方程化简为由四个基本未知函数表述。文中还分析了简支正交铺设复合材料面层夹层板的非线性弯曲，给出了载荷—挠度特征关系和板中应力的分布状况。数值计算表明，夹层板面层和芯层粘结处的层间剪应力在工程设计中是十分重要的。     

考虑横法向热应变的C~0型Reddy板理论和三角形板单元

考虑横法向热变形,建议了C0型Reddy理论,并用于分析复合材料层合/夹层板热膨胀问题。虽然考虑了横法向热应变,但不增加额外的位移变量。此理论位移场不含有横向位移一阶导数,构造有限元时仅需C0插值函数。基于这一模型,运用虚位移原理推导了复合材料板平衡方程以及构造了6节点三角形板单元,并分析了简支复合材料层合/夹层板的热膨胀问题。数值结果表明,建立的模型能准确分析复合材料层合/夹层板热膨胀问题,而忽略横法向热应变的理论分析热膨胀问题误差较大。     

Winkler地基上变厚度圆板的轴对称弯曲

本文提出了Winkler地基上变厚度圆板轴对称弯曲的传递矩阵算法。首先,根据贝塞尔函数理论获得了等厚度圆板和环板单元在任意荷载作用下轴对称弯曲的解析解,这些解均由通解和特解两部分组成。基于这些解析解,导出了等厚度圆板和环板单元的传递矩阵。然后沿径向将变厚度圆板划分成一个等厚度圆板单元和一系列等厚度环板单元,应用传递矩阵算法原理获得了变厚度圆板的整体传递矩阵。引入圆板的边界条件,给出了该板每条节线上的挠度、径向转角、径向弯矩和径向剪力。最后,讨论了受均布荷载作用的简支线性变厚度圆板的弯曲,将本文数值解与解析解进行比较,证实了本文方法的有效性,并简要地讨论了地基参数对板挠度和径向弯矩的影响。     

求解矩形夹层板在集中载荷下的稳定问题

在考虑了横向切应力和横向正应力对夹层板稳定影响的情况下,给出了矩形夹层板结构屈曲失稳的控制方程、基本解以及边界条件。应用功的互等定理求解了在均布载荷作用下的矩形夹层板的屈曲失稳问题。     

夹层曲板侧压大挠度精确解

一、引言夹层结构在航空工业中得到广泛使用。这种结构在各种载荷下的稳定问题是飞机设计中经常碰到的问题。关于夹层圆柱曲板在轴压剪切作用下的稳定性分析已有很多文献发表。但是有关夹层园柱曲板在侧压(即横向载荷)作用下的稳定性分析却缺乏研究。这可能是非线性计算存在着巨大困难所致。      

基于Layerwise离散层理论的复合材料夹层板屈曲分析

复合材料夹层结构由于面板和芯层力学特性差异较大,屈曲分析时要分层考虑各层的剪切变形。基于Reddy的Layerwise离散层理论,假设每一层变形服从一阶剪切变形理论,在统一的位移场描述下,推导建立了一种用于复合材料夹层结构屈曲分析的四节点四边形板单元,并采用混合插值方法对单元的剪切锁定进行了修正。分别对三种典型的夹层板结构进行线性屈曲有限元分析,并将计算结果与文献中已有结果进行了对比。结果表明：本文的分析方法能离散考虑各层的力学特性,将结构离散为多层时,计算结果与三维弹性理论或高阶板理论吻合;将结构等效为单层时,计算结果与基于一阶剪切变形理论的文献结构吻合,验证了单元的有效性。     

广义协调厚薄通用板单元的动力特性分析

推导了板的有限元运动方程,构造了单元刚度矩阵和考虑转动惯量的单元质量矩阵,并采用 子空间迭代法计算了板的前几阶频率,分析了广义协调厚薄通用板单元ATF-PQ4a的动力特 性,并讨论了转动惯量和剪切变形对固有频率的影响. 结果表明：ATF-PQ4a单元计算结果和 理论解及有限元软件ABAQUS的结果比较吻合,说明在动力学范围内ATF-PQ4a单元能做到厚 薄通用,满足工程需要.