纤维缠绕圆柱壳轴压稳定性

本文系统地讨论了多层复合材料圆柱壳在轴向压缩载荷条件下的轴压稳定性。基于 Donnell 方程,将位移法与复数解法推广应用于纤维缠绕圆柱壳的轴压稳定性问题,考虑了八种边界条件,提出了壳体的前屈曲理论解以及屈曲模态,临界载荷的算法,特别着重考虑了各类边界条件与耦合效应。其理论和结果可直接应用于固体火箭发动机壳体的结构设计。     

半解析有限元法分析环向加劲圆柱壳外压稳定性

采用一般有限元法分析环向加劲圆柱壳外压稳定性需要用确定的单元结点位移描述待定的各种失稳波形的变化,从而造成单元划分较多,基函数复杂,所需计算机内存大,往往使稳定性分析难于实现。本文利用半解析有限元法来分析圆柱壳的稳定性,可以利用解析的成果代替一般有限元法的离散化处理,有效地解决了用一般有限元法要遇到的难题。半解析有限元法的特点是:在位移模式中,周向引入圆环板和圆柱壳的解析函数,轴向和径向采用了离散型的内插多项式函数。由于采用了解析函数与离散函数相结合的位移模式,所以不但减少了自由度,并提高了计算精度,而且也能方便地处理各种复杂的结构及其不同的连接方式。本研究采用了几何非线性大挠度理论,据此,推导了单元的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵。在稳定性计算中,把求解失稳荷载和失稳变形形态的问题,转化为数学上求实矩阵的最大特征根及其特征向量的问题。本文最后给出了计算实例,计算结果与理论解吻合较好,说明此法是切实可行的,并且具有广泛的使用范围。     

含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴压承载特性分析

为探究穿透裂缝对复合材料缠绕圆柱壳承载能力及失效模式的影响,首先开展不同壁厚含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴向压缩试验。对于A系列厚壁圆柱壳,裂缝导致承载能力下降53.96%,失效模式由局部屈曲转化为裂缝扩展、脆性断裂;而B系列薄壁圆柱壳均发生局部屈曲,裂缝使承载能力下降12.59%。其次,采用有限元软件ABAQUS 6.14,基于非线性RIKS算法,建立轴压作用下含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载能力计算模型,通过引入Hashin失效准则及损伤演化判据,预测结构渐进破坏模式及极限荷载。数值结果与试验数据吻合良好,最大误差为7.01%,验证了数值算法的可靠性。在此基础上,探讨裂缝方向、缠绕角度对含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载的影响,可知:对于±55°螺旋铺层复合材料圆柱壳,随裂缝角度α增加,极限承载能力先升高再降低,当α=45°时,具备最大承载能力;对于含开缝角α=15°、45°、55°缠绕圆柱壳,随缠绕角θ增加,其承载能力呈先上升后下降趋势。且开缝角越小,缠绕角度对极限荷载的影响越大,当缠绕角θ=30°时,达到最大承载能力。     

夹芯圆柱壳稳定性优化

研究了在轴压载荷作用下圆柱壳结构的失稳模态和结构承载效率,分析了空心圆柱壳厚度对失稳模态和承载效率的影响,以及圆柱壳填充轻质芯体对提高承载效率的作用;研究了圆柱壳结构的基于参数化建模、稳定性分析以及承载效率优化设计的一体化方法,并基于商用软件PATRAN的PCL语言予以实现。针对特定夹芯圆柱壳结构的稳定性分析和优化表明,空心薄壁圆柱壳结构在轴压载荷作用下容易失稳,结构承载效率低。适当增加壳体厚度,不但提高抗屈曲能力,而且也提高了结构承载效率。但厚度增加到一定限度后,进一步增加壳体厚度会提高结构的失稳荷载,但承载效率下降。利用泡沫状材料填充薄壁圆柱壳结构可以提高圆柱壳的结构抗屈曲承载能力和承载效率。通过优化壳体壁厚和芯体材料的相对密度,可有效地提高结构的承载能力和承载效率。     

考虑混杂效应时纤维混杂缠绕筒三维等效弹性模量的理论估算和试验研究

给出了多种纤维混杂多向缠绕筒三维等效弹性模量的理论估算方法, 应用该方法计算了玻璃-碳纤维混杂缠绕筒的三维等效弹性模量。计及混杂效应的影响, 考虑了碳纤维体积分数、 铺层方式、 纤维分散度等因素, 对玻璃-碳纤维混杂缠绕结构, 引入混杂效应系数对该方法进行修正。试验结果表明, 该方法预测的三维等效弹性模量的精度较高。采用该方法可将复杂的纤维混杂缠绕结构等效为具有各向异性性质的均质单一材料, 极大降低了应力分析的工作量。     

圆柱壳稳定性分析的一种新方法

针对圆柱壳在复杂栽荷作用下静力稳定性问题提出了一种新的求解方法．基于分离变量的方法，设定一组可涵盖任意边界条件的复数位移函数，将位移函数代入系统平衡方程后，圆柱壳的静力稳定性问题就可以转化为一个复系数八次多项式的求根问题．该特征方程的偶次幂系数项以及常数项为实数，而奇数次幂项均为纯虚数．研究表明，根的大小代表了圆柱壳端部作用力的强度，以及该作用力在离开这个边界一定距离上的衰减特性．分析了该新方法和经典方法的关系，并给出了一个各向同性圆柱壳在轴向压力作用下稳定性分析算例，得到了线弹性失稳解．和经典方法的结果比较表明，文中所提出的新方法适用可行，且和经典方法具有同样的精度．     

纤维缠绕技术的现状及发展趋势

随着纤维缠绕制品应用领域的不断扩大,纤维缠绕技术的发展也十分迅速.介绍了纤维缠绕技术的工艺、设备以及应用情况,对比分析了3种不同缠绕工艺方法,阐述了纤维缠绕技术国内外的发展状况以及纤维缠绕技术向机械化、自动化、复合化发展的趋势.     

超音速流动中粘弹性圆柱壳的稳定性

基于薄壳的Karman-Donnell假设、空气动力学中的一阶活塞理论和粘弹性力学中的Boltzmann叠加原理,给出了超音速流动中粘弹性圆柱壳的数学模型。在空域上采用Galerkin方法,并在时域上通过引进新变量,将原来的积分－偏微分系统简化为高维微分系统。利用非线性动力学中的多种方法,考察了自由流动压对粘弹性圆柱壳稳定性的影响。发现气动粘弹性圆柱壳在径向周期激励下具有两种稳定的运动和两种不稳定的运动。     

纤维缠绕技术的现状及发展趋势

随着纤维缠绕制品应用领域的不断扩大,纤维缠绕技术的发展也十分迅速.介绍了纤维缠绕技术的工艺、设备以及应用情况,对比分析了3种不同缠绕工艺方法,阐述了纤维缠绕技术国内外的发展状况以及纤维缠绕技术向机械化、自动化、复合化发展的趋势.     

缠绕成型混杂纤维复合材料静态拉伸性能研究

研究了T700碳纤维/玻璃纤维、T700碳纤维/玄武岩纤维不同纤维配比混杂材料的层合板拉伸性能。结果表明,混杂纤维层合板的拉伸性能随着碳纤维含量提高而提高;高断裂位移的纤维可以提高混杂纤维复合材料的断裂伸长率。复合材料模量混杂公式得到的理论值与实际测量值比较接近;加入玻璃纤维或玄武岩纤维可以提高复合材料的韧性,同时节省成本。     

外压作用下椭圆截面柱壳的弹性屈曲

基于能量法推导了外压作用下椭圆截面柱壳弹性屈曲临界荷载的理论解,推导中考虑了椭圆截面连续变化的曲率,引入带有衰减系数的位移函数以反映外压作用下椭圆柱壳的变形特点,并利用里兹法求解外压椭圆柱壳的能量方程。由椭圆柱壳理论解退化求得的圆柱壳外压屈曲荷载与已有文献的经典解吻合良好,与有限元分析结果的比较进一步验证了该文理论解的准确性。基于理论解的参数分析表明:在外压作用下,椭圆柱壳具备比圆柱壳更优越的力学性能;椭圆柱壳的外压屈曲荷载随椭圆截面比的增大而增大,随壳体名义径厚比的减小而增大;椭圆柱壳的外压屈曲荷载随壳体长度的增大而降低,但当名义长径比大于1左右后,屈曲荷载基本保持不变。     

反对称正交铺层剪切圆柱壳在外压下的屈曲和后屈曲

给出了反对称正交铺层剪切圆柱壳广义大挠度Donnell 型方程, 并运用位移型摄动技术构造出该圆柱壳在均匀外压作用下的后屈曲渐近级数解。考虑到边界效应对中短圆柱壳的影响及边值问题摄动解的一致性, 详细研究了该圆柱壳端部边界层方程和奇异摄动解, 以便与中部正则摄动解相匹配。文中同时给出一些典型例子并讨论了横向剪切变形、Batdo rf 数、弹性模量比和初始几何缺陷对圆柱壳屈曲与后屈曲性态的影响。比较显示, 横向剪切变形对圆柱壳的屈曲与后屈曲有重要影响。      

圆柱薄壳在局部轴向压力作用下的屈曲

采用非线性有限元法对局部轴向压力作用下圆柱壳的屈曲进行了全过程分析,并对其进行了试验研究。有限元分析和试验结果都表明,圆柱壳在压力作用位置附近发生局部屈曲并形成局部凹陷,维持后屈曲平衡的是一个近似常量的压力。该压力即为圆柱壳的后屈曲承载力,它决定着圆柱壳的实际承载力。在其它因素相同时,该压力与壳体厚度5.2t成正比。     

双层柱面网格扁壳的非线性稳定性分析

基于等效夹层壳思想的双层网格扁壳非线性弯曲理论,对双层柱面网格壳体在均布压力作用下的非线性稳定性问题进行研究,采用伽辽金方法求得了简支边界条件下双层柱面网格扁壳的非线性载荷-位移关系式和临界屈曲载荷的解析表达式,讨论网壳结构几何参数对临界屈曲载荷的影响.     

双向密肋壳体结构风稳定性研究

风荷载沿壳体表面的作用是非均匀变化的,因此,关于这类壳体的稳定性研究是比较复杂的。本文根据Ｔｒｅｆｆｔｚ准则计算了加肋圆柱壳体在风荷载下的稳定,并考虑了肋偏心的影响。根据计算结果,有以下结论： （１）不加肋的壳体承载力最低。 （２）环向加肋比纵向加肋的承载力高。 （３）环向和纵向都加肋的承载力最高,而且以外侧加肋效果最好,内侧加肋效果次之。     

材料应变率对圆柱壳轴向冲击屈曲的影响

研究了轴向冲击载荷作用下材料应变率对圆柱壳弹塑性冲击屈曲的影响,采用Ｋａｒｍａｎ－Ｄｏｎｎｅｌｌ运动方程,本构关系采用增量理论,联立Ｃｏｗｐｅｒ－Ｓｙｍｏｎｄｓ关系,求得相应的动屈服应力,借助增量数值计算方法注解运动方程,计算表明：材料的应变率敏感性显著地提高了结构的抗冲击屈曲能力;基于Ｂ－Ｒ准则的屈曲判断方法和采用Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌ方法可以获得一致的临界屈曲载荷。     

轴向阶梯载荷下薄圆柱壳的弹性动力屈曲

对于轴向阶梯载荷下圆柱壳的非轴对称动力屈曲,将临界应力和屈曲惯性指数作为双特征参数求解.由屈曲瞬间的能量转换和守恒准则导出压缩波阵面上的屈曲变形补充约束方程.利用Galerkin方法求解失稳控制方程,得出包含双特征参数的代数特征值问题.该特征值问题满足补充约束方程的解给出动力屈曲的临界应力和惯性指数.     

热超弹性圆柱壳的振动与破坏

研究了热超弹性圆柱壳在内表面突加载荷及不同温度场作用下的运动与破坏问题.通过对所得描述圆柱壳内表面运动的非线性常微分方程解的动力学定性分析和数值计算,发现当突加内压小于某一确定的临界值时,圆柱壳的运动随时间的演化是周期性的非线性振动,而当突加内压大于这个临界值时,圆柱壳将被破坏.通过对振动的振幅、相图和周期的计算,讨论了均匀或非均匀温度场及圆柱壳的厚度等参数对临界载荷和圆柱壳振动的影响.