均布外压下复合材料球壳脱层跳跃屈曲研究

本文提出了一种研究均布外压下复合材料球壳内表面薄层脱层屈曲特性的理论方法,基于弹性相似性原理建立了复合材料球壳受压内表面脱层跳跃屈曲的模型,采用非线性大挠度理论建立了脱层屈曲的控制方程,分别研究了初始状态含脱层和不含脱层的复合材料球壳的脱层屈曲特性,得到了两种情况下脱层屈曲临界载荷的表达式,讨论了脱层厚度、脱层位置、脱层大小对脱层临界屈曲载荷的影响。结果表明:对于初始状态靠近内表面存在脱层的复合材料球壳,如果脱层厚度很薄,在压力达到一定值时,内表面的脱层区域将发生跳跃屈曲,其屈曲的挠度远远大于脱层的厚度,屈曲的临界载荷随脱层大小的增大而增大,且与脱层厚度几乎成正比;对于初始状态不含脱层的受压复合材料球壳,在靠近其内表面区域存在一个位置,其对应的脱层屈曲临界载荷为最小,最有可能脱离球壳整体,发生跳跃屈曲;如果层间强度不足,该脱层还有可能进一步地扩展,从而导致薄层大面积地脱离整体,降低结构刚度。     

考虑弹性地基的复合材料曲梁径向应力的研究

运用弹性力学理论和经典层合板理论,推导了有弹性地基作用情况下,复合材料曲梁弯曲时径向应力的计算公式,该公式还可以得到曲梁纯弯曲情况下的解析解。利用所推导的公式,讨论了弹性地基对复合材料曲梁径向应力以及径向最大应力位置的影响。     

初应力状态下夹芯复合材料曲梁面板的局部振动的理论分析

在船舶领域,以复合材料层合面板及泡沫芯材组成的夹芯复合材料板梁结构已大量应用在游艇及复合材料高速艇上.文章研究了受初始静载荷作用下夹芯复合材料曲梁的面板的局部自由振动问题,并给出一种相应的理论分析方法.文中通过将芯材简化为Winkler弹性地基,将面板简化为一复合材料曲梁,从而使所研究问题蜕化为有初始静载荷作用下弹性地基上任意曲梁的固有振动问题.在局部振动位移是基于初始静载平衡位置并与初始位移相比是小量的假定的基础上,根据能量原理推导出面板的运动方程.研究的结果表明,该面板的局部振动不只取决于面板的弯曲刚度和长度,以及芯材的弹性刚度,也在很大程度上取决于梁的曲率及面板所受到的初始轴向压力.     

轴压复合材料柱形壳屈曲特性

以单立柱固定式海洋平台的柱形壳桩腿为研究对象,得到复合材料柱形壳较为合理的结构尺寸、铺层方式,提高其轴向承载能力.首先,通过碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)材料单轴拉伸试验得到复合材料柱形壳试验样本的材料属性,用于柱形壳的计算与分析.其次,基于复合材料薄壳理论,得到轴压复合材料柱形壳屈曲临界载荷解析解,对比线弹性屈曲有限元分析,验证了理想柱形壳有限元模型建立的正确性.再次,由复合材料柱形壳缺陷测量试验得到其初始几何缺陷,由轴向压缩试验得到其轴压屈曲特性,对比非线性屈曲有限元分析,验证了缺陷柱形壳有限元模型建立的正确性.最后,结合线弹性屈曲分析结果,引入模态缺陷,从线弹性和非线性屈曲分析两个方面,研究铺层角、铺层数、各层纤维厚度、几何尺寸对复合材料柱形壳轴向承载能力的综合影响规律,得到各模型的屈曲特性与缺陷敏感性.从生产制造与工程实际出发,建立一种系统的CFRP型复合材料柱形壳设计计算流程、失稳分析方法,对于复合材料柱形壳的设计、校核、优化具有指导性作用.     

轴向冲击作用下玻璃纤维复合材料层合梁脱层及其扩展分析

玻璃纤维增强型复合材料层合梁在受轴向质量块冲击时,由于纤维铺层间的粘结强度较小,该区域易出现初始裂纹.进而扩展为脱层损伤.文章探讨了采用有限元数值模拟对脱层的产生与扩展进行建模、计算分析的方法.针对发生在纤维层问的脱层损伤,基于传统的应力失效准则,结合断裂力学的B-K能量失效准则,建立了混合失效准则来定义界面处的损伤规律,将发生脱层的潜在区域定义为粘结接触.计算结果与实验对比具有较好的一致性.     

无粘结柔性管抗拉伸层结构分析

柔性管抗拉伸层是复杂的空间螺旋线结构,其结构响应分析对柔性管疲劳分析、强度分析和屈曲分析有重要作用。文章基于曲梁理论,应用斜驶螺旋线假设和测地线假设两种空间曲线公式,以空间细长杆理论及胡克定律本构方程为基础,采用格林应变张量与第二Kirchoff应力张量度量,对深海无粘结柔性管抗拉伸层螺旋形钢缆结构平衡方程进行了推导,编写了分析程序。利用该程序,分析了抗拉伸层钢缆在轴对称载荷下和弯矩作用下的曲率变化和结构响应;同时利用三维直梁有限元模型与曲梁有限元模型建立数值模型,将程序结果与数值模拟模型结果进行了对比,证明了结果可行性。该结果可为柔性管抗拉伸层结构设计提供快速的预估计方法。     

含脱层复合材料圆柱壳的振动模态试验分析

对复合材料圆柱壳在自由悬挂的边界条件下进行振动模态试验研究。介绍试验系统的构成及原理,提出试验方案。通过对7件复合材料圆柱壳试件进行系列化的振动模态试验及分析,讨论了不同铺层角度、脱层方式、脱层大小对复合材料结构的固有频率、振型的影响,与理论计算结果相比较,结果比较吻合。     

海底管道侧向屈曲分析

侧向屈曲是非埋设海底高温高压管道运行期间常见的失效形式.由高温和高压造成的管道轴向应力是导致管道侧向屈曲的主要原因.本文对管道侧向屈曲进行了数学解析分析,并给出了管道在实际运行状态下发生侧向屈曲时常出现的四种模态的力学分析结果.对某工程项目的海底管道进行了侧向屈曲的数值计算以验证其工程可靠性.从理论和工程实践两方面分析比较了控制侧向屈曲的各种方法.初步探讨了深水高温高压管道的侧向屈曲控制方法.     

复合材料立管抗屈曲能力的提高方法

为探究提高复合材料立管抗面压屈曲能力的方法,研究复合材料结构参数对复合材料立管抗面压屈曲能力的影响,发现铺层数和铺层角对其抗面压屈曲能力有较大影响,然后对复合材料立管增加止屈器,结果表明止屈器可以较大幅度提高抗面压屈曲能力。研究结果可为今后研究复合材料立管抗屈曲能力提供一定的指导。     

复合材料立管抗屈曲能力的提高方法

由于复合材料具有高比强度、设计性强、扰腐蚀性能好等优点,而广泛应用于海洋立管中,但是复合材料立管设计还不够成熟。本文为探究提高复合材料立管抗面压屈曲能力的方法,研究了复合材料结构参数对复合材料立管抗面压屈曲能力的影响,发现铺层数和铺层角对其抗面压屈曲能力有较大影响。其后对复合材料立管增加止屈器,结果表明止屈器可以较大幅度提高其抗面压屈曲能力。对今后研究复合材料立管抗屈曲能力提供一定的指导意义。     

船体梁极限强度计算中的曲板“硬角”属性

为了解决极限强度计算时曲板能否作为硬角单元的问题,从曲板屈曲的规范公式出发,讨论曲板屈曲与几何参数的关系。采用非线性有限元程序对具有不同初始缺陷的多组曲板进行极限强度计算,研究初始缺陷对曲板极限屈曲强度的影响。依据是否发生屈曲,给出判定曲板归属硬角单元的判据。     

平面曲梁几何非线性有限元分析

本文基于文[5]所建立的曲梁单元,根据非线性的应变-位移关系,推导出平面曲梁单元的切线刚度矩阵,并编制了平面曲梁几何非线性分析程序。计算结果表明本文建立的平面曲梁单元计算精度明显高于以直梁模拟曲梁的结果。     

均匀外压下有几何缺陷球壳的破坏压力

将球壳缺陷部分看作受球壳其余部分弹性约束的独立扁球壳,提出了弹性屈曲压力的分析方法,并得出临界弧长的解析结果。还对非弹性屈曲破坏问题提出了工程实用的处理方法。共作十四个铝球壳和四个钢球壳模型试验。     

Automated manufacture of optimised shape-adaptive composite hydrofoils with curvilinear fibre paths for improved bend-twist performance

Composite marine propellers improve hydrodynamic efficiency by inducing bend-twist coupling and allowing for passive pitch changes. One critical limitation, however, is the extent to which a composite propeller blade can deform and cause a pitch change without incurring structural failure. Recent numerical studies showed that curvilinear tows could improve the structural response of a composite blade by lowering its deflection or stress and strain required to induce a pitch change, but no experimental validation has been carried out before. The current study, thus, presents the manufacture of composite sandwich hydrofoils made with steered tows using automated fibre placement and validates the curvilinear tow benefits. Two hydrofoils were optimised with straight and curved fibre path layups, respectively and were manufactured for mechanical testing. The manufacturing complications arising from steering curvilinear tows in a three-dimensional convex mould are also discussed in the paper. The study found that significant tow buckling occurred near the tool cavity edge due to excessive steering radius during manufacture. The follow-up structural cantilevered tests showed that the experimental results were consistent with the FE predictions despite the presence of some manufacturing defects. The experiment agreed that the hydrofoil manufactured with curved tows achieved a similar tip twist but a significant reduction in deflection and critical principal strains compared to the hydrofoil made with straight tows. The use of a foam core reduced the overall weight of the sandwich hydrofoils by about 25% compared to that of a fully-carbon composite hydrofoil, and the numerical analysis showed that the core shear failure induced by transverse shear stresses was unlikely to occur.     

Snap behaviour in the upheaval buckling of subsea pipelines under topographic step imperfection

Pipelines exposed to high temperature and high pressure with a topographic step imperfection are susceptible to the phenomenon of upheaval buckling potentially leading to a hazard for the structural integrity of the pipeline. To analyse this problem we derive analytical upheaval buckling solutions and obtain the locations of maximum displacement and maximum axial compressive stress. We also analyse the typical post-buckling behaviour and its dependence on step height, axial soil resistance and wall thickness. The difference in behaviour between a pipeline with step imperfection and one with a symmetric prop imperfection is discussed. Our results show that a pipeline with a step imperfection is more prone to upheaval buckling than a perfect pipeline. For sufficiently small step heights the pipeline may suffer a snap-back instability under decreasing thermal loading, raising the possibility of hysteretic snap behaviour under cyclic thermal loading (for instance caused by periodic start-ups and shut-downs). The snap-back buckling disappears for large enough step height and the minimum critical temperature difference decreases with increasing step height and wall thickness or with decreasing axial soil resistance. The maximum compressive stress decreases with increasing step height and axial soil resistance or with decreasing wall thickness. A pipeline with step imperfection is safer than one with a symmetric prop imperfection.     

带止屈器的复合材料圆柱壳结构屈曲分析及优化

针对海洋工程上的复合材料圆柱壳结构,基于有限元软件ABAQUS,利用Python语言编程实现参数化建模、屈曲分析以及在后处理中提取屈曲因子。研究复合材料圆柱壳结构在单独受到轴向压力、侧向压力以及两种压力组合作用下止屈器的位置对屈曲极限强度的影响,并利用遗传算法多参数优化的方法对止屈器的位置进行优化,最终找到最优解。研究结果可以为复合材料圆柱壳结构抵抗屈曲失效的优化设计提供参考。     

基于水平双向作用耦合曲线梁桥地震响应分析

以深圳市某互通立交匝道桥工程为背景,针对曲线梁桥地震响应的复杂性,运用大型结构分析程序Midas/Civil建立空间有限元模型,采用动态时程法对其进行地震响应分析,研究水平地震动单向输入、双向输入时墩梁固结曲线梁桥的地震响应差异,提出墩梁固结曲线梁桥抗震设计要点。