軸壓復合材料柱形殼屈曲特性及工程應用.pdf

1、復合材料具有比強度高、比模量大、可設計性強、耐腐蝕性好等特點，柱形殼具有很好的承載能力與空間利用率，常被用于海洋平臺樁腿、潛水器耐壓殼等結構的制造。本文研究了軸壓復合材料柱形殼的屈曲特性與優(yōu)化設計方法，以提高其軸向承載能力。從生產(chǎn)制造與工程實際出發(fā)，系統(tǒng)地建立復合材料柱形殼設計計算流程、失穩(wěn)分析方法，對于復合材料柱形殼的設計、校核、優(yōu)化具有指導性作用。
　?。?）由碳纖維復合材料單軸拉伸試驗得到試驗材料的力學屬性，用于柱形殼的計算

2、與分析。對軸壓復合材料柱形殼進行線彈性屈曲分析，得出前50階屈曲失穩(wěn)模式，即模態(tài)缺陷。基于復合材料薄殼理論、NASA SP-8007規(guī)范，分別得到軸壓復合材料柱形殼屈曲臨界載荷解析解、經(jīng)驗值，驗證線彈性數(shù)值模型正確性。基于弧長法研究不同模態(tài)缺陷條件下軸壓復合材料柱形殼的非線性屈曲特性。由復合材料柱形殼三維掃描試驗得到其初始幾何缺陷，由軸向壓縮試驗得到其軸壓屈曲特性。
　?。?）將數(shù)值分析結果、理論計算結果與軸壓試驗結果作對比分析，

3、結果表明：對于軸壓復合材料柱形殼屈曲問題，第1階模態(tài)缺陷不一定是最差缺陷，高階模態(tài)缺陷條件下的非線性屈曲臨界載荷與試驗值較為吻合；屈曲載荷下降受缺陷形狀、幅值雙重影響，復合材料柱形殼屈曲計算需考慮多模態(tài)問題；NASA規(guī)范求出的復合材料柱形殼屈曲載荷低于試驗值較多，往往會造成結構笨重、材料浪費、性能降低。
　?。?）綜合運用線彈性屈曲與非線性屈曲分析方法，研究材料鋪層、殼體尺寸對軸壓復合材料柱形殼屈曲特性的影響，得到較為合理的鋪層方

4、式與殼體尺寸。結合仿生學原理對柱形殼進行形狀優(yōu)化，運用等質(zhì)量、等容積兩種方法，設計與柱形殼開口直徑相同的蛋形殼，并進行線彈性與非線性屈曲分析。結果表明：相對復合材料柱形殼，蛋形殼具有更好的軸向承載能力與更低的缺陷敏感度。
　?。?）從工程實例出發(fā)，以單立柱固定式海洋平臺的柱形殼樁腿為背景，采用分段式模塊化設計的方法，在5％多模態(tài)缺陷條件下，研究一般鋼結構柱形殼樁腿、碳纖維復合材料柱形殼樁腿、碳纖維復合材料多蛋交接形樁腿的軸壓屈曲特