復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲和后屈曲分析.pdf

1、減輕結(jié)構(gòu)的重量對飛行器的燃料節(jié)能和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。由于復(fù)合材料具有諸多優(yōu)異的特性，將其用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，可以比使用常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重25～30％，并可明顯改善飛機(jī)的氣動(dòng)彈性特性，提高飛行性能。先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用的部位和用量的多少現(xiàn)在已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。復(fù)合材料飛機(jī)通常是由復(fù)合材料薄壁板殼結(jié)構(gòu)組成，這些結(jié)構(gòu)在聯(lián)合載荷作用下由于穩(wěn)定性或者非線性大變形的原因容易發(fā)生破壞。盡管在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的屈曲和后屈曲領(lǐng)域已經(jīng)

2、存在大量的研究工作，但是仍然存在很多問題并沒有得到很好地解決，例如剪切和壓縮載荷共同作用下復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的后屈曲問題、簡單且相對精確的后屈曲分析工具問題。因此，需要給出可行且高效的方法來分析聯(lián)合載荷作用下復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的后屈曲行為，并且發(fā)展一種簡單且相對精確的后屈曲分析工具。
　　在第二章中，基于伽遼金法，研究了邊界上承受扭轉(zhuǎn)彈簧約束作用的對稱層合板的剪切屈曲問題。本章將簡支梁振動(dòng)特征函數(shù)和固支梁振動(dòng)特征函數(shù)線性組合構(gòu)造出了一

3、種撓度函數(shù)，以滿足對稱層合板邊界上承受扭轉(zhuǎn)彈簧約束的邊界條件。通過與有限元方法結(jié)果的比較表明當(dāng)前方法是一種有效的方法。最后通過參數(shù)分析研究了扭轉(zhuǎn)彈簧剛度系數(shù)、長寬比、材料的正交各向異性參數(shù)和各向異性參數(shù)對純剪切載荷或者剪切和壓縮載荷共同作用下邊界上承受扭轉(zhuǎn)彈簧約束的對稱層合板屈曲行為的影響。
　　在第三章中，通過伽遼金法，得到了具有初始幾何缺陷，并且邊界上承受扭轉(zhuǎn)彈簧約束的對稱層合板剪切后屈曲問題的非線性控制方程（由撓度函數(shù)和艾里

4、力函數(shù)表達(dá)），進(jìn)而應(yīng)用牛頓—拉弗森方法對該方程進(jìn)行求解。為了滿足邊界上承受扭轉(zhuǎn)彈簧約束的邊界條件，本文構(gòu)造了一種撓度函數(shù)，該撓度函數(shù)是簡支梁振動(dòng)特征函數(shù)和固支梁振動(dòng)特征函數(shù)的線性組合。另外艾里力函數(shù)由固支梁的振動(dòng)特征函數(shù)表示。通過與有限元方法的結(jié)果相比較，表明當(dāng)前的方法能夠用于具有初始幾何缺陷并且邊界上承受彈性約束的對稱層合板的非線性剪切后屈曲分析。通過參數(shù)分析，研究了扭轉(zhuǎn)彈簧剛度系數(shù)、材料參數(shù)、纖維鋪設(shè)角度和載荷比對邊界上承受扭轉(zhuǎn)彈簧

5、約束的對稱層合板剪切后屈曲行為的影響。
　　在第四章中，應(yīng)用非線性有限條方法，分析了剪切載荷作用下復(fù)合材料層合板的后屈曲（非線性）行為。借鑒由軸端縮短正應(yīng)變控制的壓縮后屈曲行為，本文首次采用傾斜角應(yīng)變來控制層合板的面內(nèi)剪切后屈曲行為。由傾斜角應(yīng)變和軸端縮短正應(yīng)變控制的非線性控制方程通過牛頓—拉弗森方法求解。文中首先用有限元法驗(yàn)證了當(dāng)前方法的正確性，然后對復(fù)合材料層合板的剪切后屈曲行為進(jìn)行了參數(shù)分析。值得提及的是，在剪切位移載荷作用

6、下，與平均剪切截面力相比，平均縱向截面力和平均橫向截面力（由大變形或者非線性正應(yīng)變誘導(dǎo)而產(chǎn)生）不能被忽略。
　　在第五章中，使用樣條有限條法，首先研究了由傾斜角應(yīng)變控制的復(fù)合材料層合板的剪切后屈曲行為，進(jìn)而研究了在一組簡支對邊上承受端部縮短正應(yīng)變，并且在縱向非荷載邊上具有扭轉(zhuǎn)彈簧約束的復(fù)合材料層合板的后屈曲行為。文中所研究的承受彈性約束作用的復(fù)合材料板可以分為兩種類型：兩條非荷載邊同時(shí)承受扭轉(zhuǎn)彈簧的彈性約束作用（RR）和一條非荷載

7、邊承受扭轉(zhuǎn)彈簧的彈性約束而另外一條非荷載邊是自由邊（RF）。樣條有限條法輔以離散板方法，可以進(jìn)一步用于纖維增強(qiáng)塑料（FRP）型材結(jié)構(gòu)的局部后屈曲分析。這種分析方法的具體思想：將兩種類型的約束板（RR板和RF板）處理成閉口截面和開口截面FRP型材結(jié)構(gòu)的離散板，并且通過考慮型材翼緣和腹板交線的彈性約束效應(yīng)，來研究軸端縮短正應(yīng)變作用下型材結(jié)構(gòu)的局部后屈曲行為。與有限元結(jié)果的比較，表明了樣條有限條法輔以離散板方法可以作為分析FRP型材結(jié)構(gòu)的一種