单层球面网壳跳跃失稳的运动特性

本文从运动学的角度,基于非线性运动平衡方程,对单层球面网壳结构发生跳跃失稳时的运动特性进行了研究。在结构达到临界失稳状态的前后分别采用基于静力的几何非线性分析方法和基于动力响应的几何非线性分析方法,描述结构的实际行为特性。对网壳结构失稳时的加速度、速度与位移等结构响应的研究,揭示了失稳的运动本质,为结构稳定性分析、失稳机制和结构失稳的传播特性的研究提供了另一条途径。     

3D混凝土打印进程中柱壳结构的力学性能研究

3D混凝土打印(3DCP)技术由于其快速制造的优势，在过去几十年里得到了迅速的发展。然而，在印刷过程中仍有许多问题需要解决，例如：目前的相关研究尚未建立能准确预测与分析3DCP圆柱壳的力学模型。该文利用Goldenveizer-Novozhilov壳体理论，加入打印进程参数，包括打印速率、打印材料固化特征、柱壳几何特征、以及自重作用影响，对3DCP圆柱壳的两种破坏机理：弹性屈曲和塑性破坏进行了分析，并在此基础上描述了柱壳形直立墙弹性屈曲与塑性坍塌间的竞争关系。参数模型、有限元模拟与已有相关试验的对比结果表明：该文提出的模型可以较好地预测3DCP圆柱壳的失效高度与失效形式，并为找寻最佳打印参数集给予理论指导。     

夹芯圆柱壳稳定性优化

研究了在轴压载荷作用下圆柱壳结构的失稳模态和结构承载效率,分析了空心圆柱壳厚度对失稳模态和承载效率的影响,以及圆柱壳填充轻质芯体对提高承载效率的作用;研究了圆柱壳结构的基于参数化建模、稳定性分析以及承载效率优化设计的一体化方法,并基于商用软件PATRAN的PCL语言予以实现。针对特定夹芯圆柱壳结构的稳定性分析和优化表明,空心薄壁圆柱壳结构在轴压载荷作用下容易失稳,结构承载效率低。适当增加壳体厚度,不但提高抗屈曲能力,而且也提高了结构承载效率。但厚度增加到一定限度后,进一步增加壳体厚度会提高结构的失稳荷载,但承载效率下降。利用泡沫状材料填充薄壁圆柱壳结构可以提高圆柱壳的结构抗屈曲承载能力和承载效率。通过优化壳体壁厚和芯体材料的相对密度,可有效地提高结构的承载能力和承载效率。     

水下爆炸作用的单双层圆柱壳结构冲击损伤特性研究

针对圆柱壳结构受水下爆炸载荷冲击损伤问题用双渐近方法进行研究。通过大量工况分析发现,圆柱壳结构损伤模式按产生原因可分为直接冲击损伤引起局部结构强度破坏、局部构件横向冲击失稳、壳体环向冲击失稳及鞭状运动引起壳体纵向总体失稳4种,爆距较近时气泡脉动载荷占主要成分,较远时冲击波占主要成分。     

柱壳液力成形弹性稳定性分析

利用非线性弹性稳定性理论,分析研究了壳体液力成形工艺中的开口圆柱壳弹性稳定性问题。计算结果表明不仅非线性弹性临界载荷远低于线性弹性临界载荷,而且更重要的是内压很大程度上有助于提高柱壳轴向弹性临界屈曲载荷,这样为内高压成形工艺提供了弹性失稳理论依据。     

大型弯头液压成形的理论分析与实验研究

针对现有弯头制造中存在的问题 ,提出了用环壳液压胀形工艺制造弯头的方法 ,分析了环壳的应力特点 ,并给出了其最后的成形压力 .通过实验研究了环壳胀形过程中位移、应变的变化规律及成形后壳体的几何尺寸 ,并对其成形过程中的起皱进行了分析 .研究表明用液压液压胀形工艺制作弯头是可行的 .     

热环境下功能梯度圆柱壳振动特性分析

应用谱几何法研究了热环境下功能梯度圆柱壳自由振动和瞬态振动特性。采用边界弹簧技术模拟圆柱壳结构的任意经典或者弹性边界约束条件，并结合一阶剪切变形理论建立了考虑温度场作用的功能梯度圆柱壳结构能量泛函。采用谱几何法与周向傅里叶谐波函数乘积和的形式描述圆柱壳的位移容许函数，以克服不同边界条件下壳体位移函数微分在边界上存在的不连续问题。在此基础上，将位移容许函数代入至结构能量泛函，并采用 Ritz 法获得结构振动分析模型。数值分析结果表明，所构建分析模型能够快速准确预测功能梯度圆柱壳结构的振动特性。研究了幂律指数、温度、载荷等参数对功能梯度圆柱壳振动特性的影响规律，为其他数值分析方法研究提供参考。     

铝合金半刚性椭圆抛物面网壳静力稳定性分析

针对目前铝合金单层网壳结构中节点形式过于单一的局面,该文首先研发出了一种新型铝合金半刚性节点--柱板式节点。获得了柱板式节点绕强轴、弱轴和扭转三个方向的弯矩-转角曲线,并将其引入到网壳杆件单元模型中,建立了半刚性节点工字型杆件椭圆抛物面网壳的数值分析模型。在此基础上,考虑节点强轴刚度、节点弱轴刚度、节点扭转刚度及跨度和矢跨比等参数影响,对半刚性节点高强铝合金椭圆抛物面单层网壳进行了弹塑性全过程分析,得到了各参数对网壳极限承载力的影响规律,并详细地考察了网壳失稳时的变形形态。研究发现:网壳失稳时,网壳中的柱板式节点均处于弹性状态,说明柱板式节点有较好的刚度,网壳的失稳为伴随杆件扭转屈曲的局部失稳。     

玻璃/环氧圆柱壳的冲击响应与稳定性分析

应用Love的壳体理论得到了非轴对称变形的复合材料圆柱壳的控制方程。对扰动状态的非轴对称变形,位移函数采用复Fourier级数形式,得到了Mathieu形的扰动方程,由此给出了静态临界载荷和固有频率。本文中对层合壳在轴向冲击载荷下的动态稳定性研究考虑了几何非线性,这是以往在该问题的研究中所未涉及的问题。研究表明,考虑几何非线性得到的临界载荷较线性几何关系计算结果要高5 %左右。因此,考虑几何非线性是必要的。      

双层柱面网格扁壳的非线性稳定性分析

基于等效夹层壳思想的双层网格扁壳非线性弯曲理论,对双层柱面网格壳体在均布压力作用下的非线性稳定性问题进行研究,采用伽辽金方法求得了简支边界条件下双层柱面网格扁壳的非线性载荷-位移关系式和临界屈曲载荷的解析表达式,讨论网壳结构几何参数对临界屈曲载荷的影响。     

水下爆炸冲击波作用下自由环肋圆柱壳动态响应的数值仿真研究

运用大型商业有限元程序MSC.DYTRAN数值模拟了水下爆炸冲击波作用下自由环肋圆柱壳的非线性动 态响应。采用一般耦合算法(generalcoupling)模拟流体与结构的耦合效应,计算中考虑了材料的应变率强化效应,几何 非线性以及结构的初始缺陷的影响,计算结果与实验吻合较好。比较了肋骨和肋间壳板在迎爆面,侧爆面和背爆面处的 中面有效应力和应变,分析了壳体在三个不同部位的破坏机理。最后比较了计算中考虑应变率效应与否对壳体最终变 形的影响。     

用于自适应进气道的扁薄球壳双稳态特性分析

自适应进气道通过主动控制唇口和内管道的结构形状,能够调节进气道的捕获面积和喉道面积,从而提升战斗机在宽速域内的进气道性能。鼓包进气道是一种先进的进气道,但是鼓包面形状不可调节,限制了其在非设计点的性能。该文针对该问题,提出利用扁薄球壳的双稳态构型调节鼓包面形状,从而改善进气道在不同速度下的使用性能。研究了铰支边界的圆底扁薄球壳存在双稳态构型需要的条件,分析了加载方式和加载位置对壳体双稳态特性的影响,并给出稳态构型转换时壳体结构参数与驱动载荷、加载行程以及结构内应力的关系,为扁薄球壳双稳态构型的形状控制以及在自适应进气道上的应用提供设计参考。     

复合材料多层圆柱壳振动和声辐射问题研究进展

鉴于复合材料优良的力学和声学性能，将其用于潜艇结构已成为未来的发展趋势和研究重点。而圆柱壳作为潜艇的主体结构形式，针对复合材料多层圆柱壳的振动和声辐射问题的研究已广泛开展。在满足水下承载能力的前提下，复合材料耐压圆柱壳趋于中厚壳，甚至厚壳，沿壳体厚度方向的横向剪切变形、压缩变形、截面翘曲变形不可忽略，这些因素直接决定了横向振动位移场描述的准确度，会进一步影响壳体周围声辐射场预报的准确性。现有的壳体理论主要有经典壳体理论、一阶剪切变形理论、高阶剪切变形理论、分层理论、锯齿理论和三维弹性理论等，这些理论发展比较成熟，但大多研究仍局限于正交各向异性薄壳结构的振动问题，涉及各向异性材料厚壳结构的声辐射研究较少，且目前对于这些壳体理论在复合材料圆柱壳的振动和声辐射问题的适用性方面缺乏系统的总结和研究。本文首先从复合材料的刚度特性出发说明其振动和声辐射问题求解的复杂性，然后从横向振动位移场的角度综述了这些理论的发展过程、研究现状以及各自的特点，最后给出了这些理论的适用范围和使用建议，并提出了有待进一步研究的问题，以期为复合材料多层圆柱壳结构的设计和振声性能分析提供参考。     

基于构形易损性理论的单层网壳结构静力稳定性研究

经典构形易损性理论基于结构初始构形度,无法考虑荷载、约束等外在因素,但网壳结构的稳定性却与上述因素密切相关。在经典构形度的基础上,该文创新地引入几何刚度矩阵,提出了可以考虑荷载条件、几何非线性及约束的节点构形度计算方法。在此基础上,分析引入几何刚度矩阵前后节点构形度的变化梯度,识别了球壳结构的最不利稳定荷载模式并揭示了失稳机理。最不利稳定荷载模式具有构形度变化梯度显著、稳定承载力最低的特征。对于球壳结构,顶点集中荷载为最不利荷载模式。点失稳、局部失稳以及整体失稳模态均与构形度变化梯度相联系。当受荷点及其周边节点构形度显著退化时,结构发生点失稳破坏,对应顶点集中荷载模式;当部分节点区域构形度明显退化时,结构呈现局部失稳的模态,对应半跨均布荷载模式;当所有节点构形度发生同等程度的退化时,结构发生整体失稳,对应满跨均布荷载模式。     

一种实现壳体柱面膨胀加载的实验技术研究

为分析金属壳体在柱面高压加载下的膨胀规律、结构强度和失效模式,设计一种实现壳体柱面膨胀加载的实验装置。该装置采用三轴试验机对高聚物填充物进行轴向压缩,填充物发生侧向膨胀从而实现对金属壳体内侧柱面的均匀加载,金属柱壳内侧压力和径向变形通过三轴试验机的轴压伺服系统、薄膜压力传感器和引伸计进行测量。利用该装置对含缺陷的LY-12硬铝柱壳进行加载得到在柱面加载下不同结构金属柱壳环向的拉伸应力和相对变形的关系,并发现金属柱壳在高强度柱面加载下发生剪切断裂失效,验证该加载测试方法的有效性,为研究材料和结构在柱面加载下的力学响应和失效模式提供依据。     

静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度

为探究静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度，以湿法缠绕工艺制备中厚玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)圆柱耐压壳结构模型，对其初挠度进行测试，并开展静水压破坏试验，分析了结构的极限承载能力、应变响应和破坏模式。基于实测初挠度及破坏模式，建立含缺陷复合材料圆柱壳的非线性分析有限元模型，同时考虑壳体几何缺陷及承压过程中的复合材料面内损伤，编制ABAQUS接口子程序USDFLD，对模型的损伤过程进行数值模拟，获得静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱壳的渐进失效过程，并与试验结果对比验证。研究表明：在静水压下中厚GFRP圆柱壳结构在破坏前载荷几乎呈线性增加，最终破坏模式为材料的压缩破坏，整体屈曲破坏模式不明显。考虑结构的几何缺陷和材料损伤演化后，采用非线性有限元模拟得到的壳体极限强度与试验结果吻合良好，可以作为预测含缺陷中厚复合材料圆柱壳极限强度的方法。采用该方法对影响中厚复合材料圆柱耐压壳极限强度的关键参数进行了研究，为深海复合材料耐压壳的研究设计提供参考。     

充液环肋圆柱壳耦合振动的波动解

研究了充液环肋圆柱壳结构的耦合振动特性。基于Love壳体理论,考虑壳体内部完全充液,采用波动法建立充液环肋圆柱壳耦合振动的频率特征方程,得到了不同边界条件下的耦合频率值。通过与已有文献数据对比,验证了该文研究方法的有效性和正确性。最后通过算例,分析了充液因素、环肋参数、边界条件、壳体几何参数等对充液环肋圆柱壳耦合振动的影响。     

单双层组合网壳性能分析

本文根据梁－柱单元非线性有限元理论，采用弧长法与修正Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法相结合的迭代法编制了网壳结构几何非线性分析程序，对不同矢跨比下单层网壳和单双层组合网壳的静力稳定性能进行了分批民得结果可为类似结构设计提供依据。     

圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构自由振动分析

基于Reissner薄壳理论,采用区域分解法分析了不同边界条件下圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构的自由振动。首先在壳体连接处将组合壳体分为独立的圆锥壳、圆柱壳和球壳,并将各个子壳体沿旋转轴线分解为若干自由壳段;然后将所有壳段分区界面(包括边界界面)的位移协调方程通过分区广义变分和最小二乘加权残值法引入到组合壳体的能量泛函中;最后将壳段位移场变量的周向分量和轴向分量分别以Fourier级数和Chebyshev多项式展开,通过变分后得到整个组合壳体的离散动力学方程。将区域分解法计算结果与有限元软件ANSYS计算结果进行对比,验证了区域分解法在分析圆锥壳-圆柱壳-球壳组合结构自由振动的正确性和计算精度,并分析了组合壳体长径比及厚径比对自由振动频率的影响。     

蛋形仿生耐压壳水下声辐射特性研究

以直径2 m、工作水深4 km的钛合金球壳为对象,通过Narushin (N-R)方程描述鹅蛋、鸡蛋、鸵鸟蛋的形状函数,采用等容积、等最大应力水平的方法设计了仿生耐压壳体,通过有限元方法分析各壳体在空气中和水中的模态特性,最后利用三维水弹性方法计算蛋形仿生耐压壳体的远场声辐射。计算结果表明,在500 Hz以下频段,蛋形壳在尖端和钝端激励时引起的声辐射要优于球壳,其中鹅蛋型曲线的耐压壳体具有较优的辐射噪声特性。在500 Hz以上频段,球壳的辐射噪声远低于蛋形壳。激励位置对蛋形耐压壳体声辐射影响明显,分析结果可为低噪声水下仿生耐压壳结构设计应用提供有效参考。