船舶與海洋工程中復(fù)合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)屈曲和后屈曲行為研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)和編織復(fù)合材料是由基體和高性能的纖維材料根據(jù)實(shí)際需要組合而成的兩種復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度高、比剛度大、易成型、易修補(bǔ)、材料性能可以設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，適宜制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的船型，可縮短建造周期，復(fù)合材料船艇的維護(hù)費(fèi)用也低于鋼船和木船。圓柱殼結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用中最為常見的結(jié)構(gòu)形式之一，比如海洋平臺(tái)的立管、輸水輸油管道、貯液罐、潛器、高速艦艇的推進(jìn)器及魚雷的外殼等等。 近幾年，無論在復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用領(lǐng)域，還是在

2、復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的理論研究方面，國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速，取得很大進(jìn)展。隨著制造工藝的改進(jìn)，復(fù)合材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)不斷提高，許多工程結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件已由復(fù)合材料制造，這些結(jié)構(gòu)在使用過程中，有可能受到外部機(jī)械載荷的作用發(fā)生屈曲而出現(xiàn)承載能力下降甚至破壞的情況，因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的屈曲問題一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。為了更加深入了解圓柱殼結(jié)構(gòu)的屈曲和后屈曲特性，更好地發(fā)揮其在船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)中的作用，我們有必要應(yīng)用邊界層理論對(duì)中等厚度的纖維

3、增強(qiáng)和編織復(fù)合材料剪切圓柱殼的屈曲和后屈曲特性進(jìn)行研究。 本文的研究工作主要包括：將殼體屈曲的邊界層理論推廣運(yùn)用到纖維增強(qiáng)各向異性層合剪切圓柱殼。分析中同時(shí)考慮前屈曲非線性變形，后屈曲大撓度和初始幾何缺陷的影響以及橫向剪切變形和耦合剛度的影響，采用奇異攝動(dòng)方法給出完全各向異性層合圓柱剪切殼在軸壓、外壓和扭矩作用下的既滿足控制方程又在漸近意義上嚴(yán)格滿足邊界條件的后屈曲大撓度漸近解。通過對(duì)屈曲與后屈曲等一系列問題的求解和分析揭示中等

4、厚度各向異性層合圓柱殼結(jié)構(gòu)在軸壓、外壓和扭矩作用下的后屈曲行為的規(guī)律，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)； 根據(jù)四步法1×1圓型編織工藝過程中編織紗線的運(yùn)動(dòng)軌跡特征和紗線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將預(yù)成型件分為三個(gè)不同的區(qū)域，分別定義不同的控制體積單元，識(shí)別預(yù)成型件的局部單胞模型，分析預(yù)成型件的紗線構(gòu)造，并推導(dǎo)出了編織結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。編織結(jié)構(gòu)主要的參數(shù)包括試件的外形尺寸、主體紗徑向?qū)訑?shù)和周向列數(shù)、三個(gè)區(qū)域各自所占的體積百分比、紗線填充因子(

5、缺省取為常數(shù))、纖維體積含量、編織角以及編織花節(jié)長(zhǎng)度。在預(yù)成型件分析的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出三維編織復(fù)合材料的局部單胞模型，分析復(fù)合材料的紗線構(gòu)造，研究復(fù)合材料的編織結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。從而，建立三維編織預(yù)成型件單胞彈性性能關(guān)系。采用三維應(yīng)力.應(yīng)變分析，在單胞的長(zhǎng)度方向積分和平均，在給定的應(yīng)變邊界條件下，采用剛度體積平均的方法計(jì)算了單胞的有效彈性性能，預(yù)測(cè)三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的有效彈性模量。在此基礎(chǔ)上提出一種三維四向編織復(fù)合材料圓柱殼的宏.細(xì)觀力

6、學(xué)模型。 在殼體屈曲的邊界層理論框架下，給出了三維編織復(fù)合材料圓柱殼在熱環(huán)境下和在軸壓、外壓、扭矩及軸壓和外壓復(fù)合加載作用下的大撓度漸近解。分析中同時(shí)考慮前屈曲非線性變形，后屈曲大撓度和初始幾何缺陷的影響，橫向剪切變形的影響，以及材料物性參數(shù)對(duì)溫度變化的依賴性。 基于本文理論分析，用Fortran語言編制了相應(yīng)的數(shù)值分析程序包，在上述研究領(lǐng)域內(nèi)給出了大量的計(jì)算分析結(jié)果。 本文得到國(guó)家自然科學(xué)基金：“混合智能結(jié)構(gòu)非