復合材料圓柱殼的動力響應及動力屈曲研究.pdf

1、復合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)在諸多工程領(lǐng)域都得到廣泛的應用。越是復雜、極端的工作環(huán)境，越能體現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特性，所以復合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)常見于航空航天、海洋工程、能源運輸?shù)阮I(lǐng)域。而對于這些領(lǐng)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)，靜強度校核已經(jīng)不能滿足要求，必須考察復合材料結(jié)構(gòu)的動力強度，因此近年來，復合材料圓柱殼的動力性能研究受到許多學者的關(guān)注。 本文應用近代復合材料力學和結(jié)構(gòu)力學的基本理論，綜合近年來國內(nèi)外在復合材料結(jié)構(gòu)動力學方面取得的進展，從潛艇、魚雷、火

2、箭、導彈、輸水輸油管道以及液罐等結(jié)構(gòu)形式中抽象出圓柱殼力學分析模型；在此基礎(chǔ)上建立非線性動力方程并采用半解析法對方程進行了求解，考慮幾何非線性、橫向剪切變形的影響，對復合材料的鋪層方式、圓柱殼的幾何參數(shù)、初始幾何變形、脫層損傷、環(huán)向加筋以及流固耦合等因素對復合材料圓柱殼的動力響應及動力屈曲的影響進行了廣泛深入探討。力求為各種工作環(huán)境中的復合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)的動力研究提供更為合適的計算方法和理論依據(jù)，并求解多種環(huán)境下復合材料圓柱殼的動力特性

3、，由此也得到許多有益的結(jié)論，豐富復合材料結(jié)構(gòu)力學的內(nèi)容，有助于復合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應用。本文主要內(nèi)容以及創(chuàng)新點包括： 首先全面回顧和總結(jié)了線性和非線性復合材料結(jié)構(gòu)的自由振動、動力響應及動力屈曲問題的研究現(xiàn)狀。對該領(lǐng)域內(nèi)的研究歷史、目前的研究熱點及未來的研究趨勢都作了詳細的討論，最終確定了本文的主要研究內(nèi)容，即對復合材料圓柱殼非線性動力響應及動力屈曲進行深入研究，并在初始幾何變形、脫層損傷、環(huán)向加筋及流固耦合等方面進行詳細的

4、計算和分析。 本文將半解析法應用于復合材料圓柱殼非線性動力響應及動力屈曲研究的各個方面，如初始幾何變形、環(huán)向加筋、脫層損傷以及流固耦合等，大大擴展了半解析法在復合材料動力研究領(lǐng)域的應用范圍。動力方程的建立是以一階剪切變形理論為基礎(chǔ)，考慮幾何非線性、初始幾何缺陷、橫向剪切變形的影響，再由Hamilton變分原理推導得到復合材料圓柱殼的非線性動力控制方程；采用半解析法對方程進行求解，即將位移和載荷沿圓柱殼的周向以Fourier級數(shù)展

5、開，再利用三角函數(shù)的正交性，以Galerkin法將非線性方程組轉(zhuǎn)換為一個二階偏微分方程組，從而使該非線性動力方程成功降維；對二階偏微分方程的求解采用有限差分法，在圓柱殼的軸向上采用通常的中心差分格式，在時間域上采用Park三階隱式差分格式，該差分格式的數(shù)值穩(wěn)定性非常好。事實證明，半解析法在可以解析的方向上盡量解析離散，減小計算量，提高數(shù)值計算的穩(wěn)定性和收斂性，降低累積誤差；在不能解析求解的方向上采用數(shù)值計算，發(fā)揮數(shù)值方法的長處，擴大了該

6、解法的適用范圍；半解析法綜合了解析求解和數(shù)值計算的優(yōu)點，有著自己鮮明的特點，可以對眾多參數(shù)進行研究。以類似B-R準則的方法判斷復合材料圓柱殼動力屈曲的發(fā)生，得到研究對象的動力屈曲臨界載荷。結(jié)果表明，采用B-R準則判定動力屈曲必須在時間域上進行足夠多個時間步的計算才能得到準確的動力屈曲臨界載荷。 以初始幾何缺陷的概念將初始幾何變形引入復合材料圓柱殼非線性動力方程中，并進一步對初始模態(tài)變形、初始淺槽變形以及局部變形等進行了計算和分析

7、。結(jié)果表明，初始幾何變形對復合材料圓柱殼動力響應及動力屈曲的影響是非常明顯的，但不同類型、深度、形狀、位置的初始幾何變形對復合材料圓柱殼動力性能的影響也各不相同。本文力求以簡明的方式引入初始幾何變形，計算并分析了多種初始幾何變形對復合材料圓柱殼動力性能的影響。 含脫層損傷復合材料結(jié)構(gòu)的非線性動力問題是一個復雜的研究課題。本文建立了一個包含幾何變形、脫層、子層基體損傷在內(nèi)的理論分析模型，并針對該理論模型推導了含損傷的復合材料圓柱殼

8、非線性動力方程，并采用半解析法求解，得到了含損傷復合材料圓柱殼動力響應的數(shù)值解，討論了脫層損傷及幾何變形伴隨脫層損傷等對復合材料圓柱殼動力性能的影響。結(jié)果表明脫層損傷對結(jié)構(gòu)的動力承載能力影響很大，而幾何變形對脫層損傷影響的增強作用在大多情況下也是不容忽視的。 對環(huán)向加筋復合材料圓柱殼的動力響應及動力屈曲進行研究，探討不同環(huán)向加筋形式對復合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)承載能力的影響。本文以δ函數(shù)引入環(huán)向加筋，建立含環(huán)向加筋的復合材料圓柱殼非線性

9、動力方程，并以半解析法對方程進行了求解。針對圓柱殼結(jié)構(gòu)水平入水的最危險姿態(tài)建立分析模型，研究了徑向載荷作用下的環(huán)向加筋復合材料圓柱殼的非線性動力響應及動力屈曲問題，考慮了殼體橫向剪切變形以及加筋肋骨的拉伸、彎曲和剪切變形的影響；根據(jù)不同載荷幅值下的動力響應情況，以B-R準則判定屈曲是否發(fā)生，確定復合材料環(huán)向加筋圓柱殼的動力屈曲臨界載荷，并且討論了加筋形式及鋪設(shè)角等因素對動力屈曲臨界載荷的影響，得到了許多很有意義的結(jié)論。 對浸潛于

10、流體中的有限長復合材料圓柱殼的動力響應及動力屈曲問題進行了研究。以一階剪切變形理論為基礎(chǔ)，建立復合材料圓柱殼的非線性動力方程，假定圓柱殼在無粘、無旋和不可壓縮流體中受不同形式外載荷作用，綜合考慮了流體動壓力和沖擊壓力的共同作用。針對半解析法的求解特點，推導了二維勢流的速度勢函數(shù)，得到圓柱殼與流體界面受到的動壓力；以半解析法求解了考慮流固耦合效應的非線性動力方程，得到流體中復合材料圓柱殼的非線性動力響應情況，并進一步用B-R準則判定動力屈

11、曲的發(fā)生；討論了浸潛于流體中，復合材料圓柱殼在各種形式載荷作用下的動力響應，流固耦合效應對復合材料圓柱殼動力承載能力的影響以及不同幾何參數(shù)下的復合材料圓柱殼對流固耦合效應的敏感性。 由于復合材料的各向異性、圓柱殼的幾何非線性、橫向剪切變形以及初始幾何缺陷的影響，考慮了初始幾何變形、損傷、加筋以及流固耦合效應的復合材料圓柱殼的非線性動力問題非常復雜，對該問題進行求解是相當困難的。本文以復合材料圓柱殼的非線性動力響應及動力屈曲問題為