复合材料圆柱壳的稳定性及其优化设计

本文分别利用一阶剪切理论和Reddy高阶剪切理论计算了考虑横向剪切变形影响的复合材料层会圆柱壳的线性失稳载荷和几何非线性失稳载荷。分析了壳体的几何参数、铺层数、铺层角、半径厚度比值对失稳临界行值的影响。铺层的优化设计中利用随机试验法与可变容差法相结合，计算了寻求临界行值最大的铺层角最优问题，并利用约束非线性混合离散变量优化程序对铺层角为离散值的情况进行了优化。碳纤维环氧树脂圆柱壳模型试验表明本文计算结果是可靠的。     

耐压圆柱壳体的临界失稳压力预测

临界失稳压力是耐压圆柱壳体结构设计和工程应用的关键参数,本文整合了前人的假设条件,通过微元法推导了圆柱壳失稳的应变—位移几何关系,继而应用静力学法求得了圆柱壳的最小失稳波数及对应的临界失稳压力.建立了同时考虑初始几何缺陷和材料非线性的圆柱壳体屈曲分析数值模型,得到的圆柱壳最小失稳波数与理论计算结果相同,临界失稳压力的数值结果与理论结果基本吻合,两者偏差随圆柱壳长径比的增大而减小.案例分析结果显示,与前人理论模型相比,本文理论模型给出的临界失稳压力更加贴近试验结果,但在圆柱壳长径比为1的情况下,理论计算结果与试验结果有一定的偏差,还有待进一步研究.     

基于波传播法的水下圆柱壳临界载荷-频率特性分析

基于振动的水下圆柱壳临界载荷的预报具有结构无损的优势。针对基于振动的数值仿真及振动试验预测方法存在的不足之处,提出了基于波传播法的水下圆柱壳失稳载荷的理论求解方法。建立了计及静水压力影响的水下圆柱壳固-液耦合振动方程,基于波传播方法获得耦合系统的频率方程。运用Muller三点迭代法求出水下圆柱壳的固有频率,通过线性拟合的方法求出水下圆柱壳临界载荷的弹性理论解,修正后可得到便于工程应用的临界载荷。结果对比表明了该方法的准确性,且具有方法简便、计算量小和易于参数优化的优点。     

加肋轴对称旋转壳非线性稳定性分析

应用Total Lagrange描述、弹塑性本构关系及非线性壳体理论,建立加肋轴对称旋转壳的非线性稳定性分析的控制方程.将所求得的控制方程应用于截锥壳单元,推导出截锥壳单元的非线性稳定性分析的有限元列式,用截锥壳单元离散和逼近加肋轴对称旋转壳,构成有限元分析模型,从而建立了分析加肋轴对称旋转壳稳定性分析的有限元模型.应用所获得的有限元列式,由平衡路径追踪,求出结构的弹性极值点载荷和弹塑性极值点载荷,将所求得的极值点载荷适当地划分成多个载荷步,求出相应的位移增量,在每一个增量步作特征值分析,由特征值分析求出非线性失稳临界载荷.文中分别将本方法与材料的弹性本构关系和弹塑性本构关系相结合,采用Crisfield圆弧加载法对某精车模型进行平衡路径追踪,得出了该模型的弹性极值点载荷、弹塑性极值点载荷和弹塑性失稳临界载荷.所求得的弹塑性极值点载荷和弹塑性失稳临界载荷与模型实验测试值均吻合较好,其中弹塑性失稳临界载荷值与实验值更为接近.从而证明:本文方法可直接求出加肋轴对称旋转壳的弹塑性失稳临界载荷,而勿须使用Cg、Cs系数进行修正.     

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.     

静水压力下复合材料夹层圆柱壳承载特性分析

本文基于有限元软件Abaqus,采用三维内聚力单元模拟蒙皮与芯层界面,建立静水压力载荷下复合材料夹层圆柱壳极限承载能力预报方法,数值计算与试验结果吻合较好,验证数值模型和计算方法的准确可行性。进而,研究了浮体/吸声混合芯材夹层复合材料圆柱壳芯层模量对承载特性的影响,并基于Isight与Abaqus集成运算,以提高临界失稳载荷为优化目标,对深水静压作用下的复合材料夹层圆柱壳表层缠绕方式进行优化设计,得到最优表层缠绕角度。研究结果对复合材料夹层圆柱壳的水下应用与研究有一定参考价值和指导作用。     

静水压下复合材料圆柱壳力学特性研究

研究了复合材料圆柱耐压壳强度和稳定性的理论计算方法,建立了静水压下单一螺旋纤维缠绕复合材料圆柱壳的数值模型,并对多种缠绕角下圆柱壳的强度特性进行了分析.讨论了不同长径比、径厚比下复合材料圆柱壳临界屈曲载荷与缠绕角的关系,给出了静水压下复合材料圆柱壳临界屈曲载荷的近似计算公式.开展了纤维缠绕复合材料圆柱壳压力筒试验,得到...     

几何参数对环肋圆柱壳肋骨侧向稳定性的影响

环肋圆柱壳一般通过在周向布置肋骨来提高其稳定性,肋骨的侧向稳定性对环肋圆柱壳整体稳定性具有重要意义。根据肋骨的侧向失稳机理,利用肋骨侧向稳定性解析解公式,在理论分析和实例计算的基础上,分析了环肋圆柱壳肋骨的几何参数与肋骨侧向失稳临界压力的关系,研究了各参数对肋骨侧向失稳临界压力的贡献值,最后得到了几何参数对肋骨侧向稳定性的影响规律。     

微曲率壳板横向失稳临界载荷计算方法

微曲率壳板广泛存在于舰船结构中,在壳板静力学性能试验中发现了“跳跃”失稳现象。为了能够对微曲率壳板横向承载失稳的机理进行探究,本文以船体微曲率壳板结构横向承载失稳问题为工程背景,探讨壳板临界失稳载荷的预报方法。基于铁木辛柯曲梁理论与薄板大挠度弯曲理论,对单向微曲率壳板结构的横向承载问题开展理论分析,求解壳板的临界失稳载荷;基于Riks弧长法,对单向微曲率壳板的横向承载稳定性进行数值仿真,通过载荷比例因子曲线获取壳板的临界失稳载荷,并且发现仿真与理论计算结果吻合度较好。结果表明：微曲率壳板结构在承受横向载荷时会出现“跳跃”失稳现象,该现象与曲率半径相关,半径越小,发生“跳跃”失稳的临界失稳载荷的几率越高;在壳板曲率半径相同的情况下,矩形壳板的长宽比对临界失稳载荷影响不明显;针对曲率半径为4000～6000 mm的壳板,提出的临界失稳载荷预报公式具有较高准确性。     

余弦载荷作用下圆锥壳的动力屈曲研究

本文采用数值方法对圆锥壳在余弦载荷作用下的动力屈曲问题进行了探讨.利用非线性几何方程建立了锥壳的基本动力屈曲方程.采用级数展开和伽辽金法等方法对方程进行了简化,使之成为常微分方程.方程的求解则采用龙格库塔法,最后给出临界冲击载荷值.     

复合材料剪切圆柱壳在轴压下的屈曲与后屈曲

给出了非对称正交铺层剪切圆柱壳广义Donnell型大挠度方程,并运用位移型摄动技术构造出该圆柱壳在轴压作用下的后屈曲渐近级数解.为保证边值问题摄动解的一致性,本文研究了边界效应对中短圆柱壳的影响,亦即运用奇异摄动技术详细分析了该圆柱壳端部边界层方程和奇异摄动解.并讨论了横向剪切变形、Batdorf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.     

轴压柱形壳非线性屈曲试验与理论研究

本文研究了轴压不锈钢柱形壳的非线性屈曲行为.通过轴向压缩试验,获得柱壳的载荷位移曲线、失稳载荷、最终失稳模式;在此基础上,采用弧长法对试验壳体进行非线性屈曲计算,分析平衡曲线、临界载荷、临界屈曲和后屈曲模式等非线性屈曲行为,并与试验结果作对比研究.结果表明:在柱形壳受轴压而发生弹塑性屈曲时,端部长度缺陷会在轴压初期降低柱形壳的承载力从而影响临界屈曲载荷,且高度越小时,柱形壳越容易在两端发生形变.但是总体来看,发生塑性屈曲时,端部长度缺陷对临界载荷影响很小.     

特征载荷下海工管状结构屈曲临界载荷分析

圆柱形管状结构在海洋工程领域中应用较多,在进行结构设计时,需重点关注其侧向受载时的屈曲强度问题。通过理论分析和数值模拟,对比研究径向线性载荷变化下圆柱壳的屈曲行为,以经典的Donnell壳体理论为基础,得到圆柱壳的屈曲控制方程,并通过本征值分析方法得到结构屈曲的临界条件。采用有限元软件ABAQUS对线性变化径压下圆柱壳的屈曲进行数值仿真。分析得出径厚比是径向线性分布载荷下圆柱壳屈曲临界载荷的主要影响因素,三角形径压下屈曲临界载荷值约为均布径压下屈曲临界载荷值的2倍。     

潜艇环肋圆柱壳纵向失稳波数的讨论

本文讨论了潜艇环肋圆柱壳总体稳定性纵向失稳半波数m的问题，m取不同值，将直接影响圆柱壳临界压力值。在潜艇结构几何相关参数设计范围内，计算分析证明，总体失稳纵向半波数存在着。m≠1，此时，如还用m＝1计算，潜艇环肋圆柱壳总体临界压力值误差最大达89．3％，是一人应该重视的问题。     

肋骨刚度对环肋圆柱壳屈曲载荷的影响分析

在推导环肋圆柱壳屈曲临界载荷的基础上,通过能量与结构刚度之间的关系,分析了肋骨弯曲刚度、扭转刚度和压缩刚度对环肋圆柱壳失稳载荷的影响。分别折减肋骨弯曲刚度和壳板刚度,研究了不同位置的肋骨在环肋圆柱壳总体稳定性中的作用,并将单根肋骨刚度折减系数转换成所有肋骨的平均折减系数;分析了壳板刚度对环肋圆柱壳总体稳定性的影响,给出了肋骨和壳板刚度同时折减时环肋圆柱壳总体稳定性的计算方法。为环肋圆柱壳的设计以及含缺陷圆柱壳承载能力的研究提供了一种理论参考。     

静水压力下圆柱壳结构屈曲机理分析

针对静水压力下圆柱壳结构的屈曲机理问题,将圆柱壳的结构刚度分为薄膜刚度和弯曲刚度,分析了具有完整刚度下圆柱壳的失稳压力,并与已有的理论进行了比较,验证了方法的可靠性。通过消除圆柱壳结构各部分薄膜刚度获得了消除刚度后的临界屈曲载荷,分析了各部分薄膜刚度对静水压力下圆柱壳承载能力的影响,结果表明,静水压力下圆柱壳屈曲的原因是结构周向薄膜刚度的减少。     

复合材料圆柱壳声目标强度数值分析

为研究复合材料圆柱壳的声散射特性,本文基于有限元法,并结合AML技术,计算并分析水下空气背衬条件下复合材料圆柱壳铺层角度、纤维层数和壳厚比对复合材料圆柱壳声目标强度（ TS）的影响规律。结果表明：低中频时,圆柱壳铺层角度对TS影响较大;高频时,铺层角度对TS影响趋于一致;纤维层层数对TS影响不大;一定范围内,壳厚比越小,声目标强度值越小。     

环肋圆柱壳肋骨侧向稳定性理论分析

根据环肋圆柱壳内置肋骨的侧向失稳特点,考虑肋骨腹板的弯扭变形影响和壳板对肋骨的转动约束影响,研究了肋骨的侧向失稳机理,基于能量法得到了肋骨侧向失稳临界应力的理论计算方法,通过实例建模的方式,将理论结果与有限元仿真结果进行对比分析,验证了该理论计算方法的正确性。     

复合材料圆柱壳声目标强度数值分析

为研究复合材料圆柱壳的声散射特性,本文基于有限元法,并结合AML技术,计算并分析水下空气背衬条件下复合材料圆柱壳铺层角度、纤维层数和壳厚比对复合材料圆柱壳声目标强度(TS)的影响规律。结果表明:低中频时,圆柱壳铺层角度对TS影响较大;高频时,铺层角度对TS影响趋于一致;纤维层层数对TS影响不大;一定范围内,壳厚比越小,声目标强度值越小。     

锥—环—柱结合的应力和稳定性

本文用解析法计算了受中面均布法向载荷作用的锥－环－柱结合壳中的应力值，并根据Ｔｒｅｆｆｔｚ准则计算了其失稳临界压力，计算结果说明，在总体几何尺寸与壳厚相同的情况下，锥－环－柱结合壳与锥一柱结合壳相比，过渡区的局部应力值显著减小，失稳临界压提高。