复合载荷作用变刚度复合材料回转壳屈曲优化

通过曲线纤维轨迹设计,变刚度复合材料回转壳将拥有比常刚度（直线纤维）回转壳更好的抗屈曲稳定性,为此,研究了复合载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料回转壳屈曲性能的影响规律。首先根据回转壳横截面圆弧变化改进曲线纤维角度线性描述方法,建立了变刚度复合材料回转壳的参数化有限元模型;其次,结合序列二次响应面方法和回转壳屈曲优化模型,搭建了复合材料回转壳曲线纤维轨迹优化的设计流程;最后,以准各向同性铺层复合材料回转壳为比较基准,对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳和轴压、弯矩和扭矩分别作用变刚度椭圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。结果表明:弯扭载荷作用下,变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高,且均好于准各向同性圆柱壳,但扭矩载荷占优时,优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势;不同载荷作用下,具有较小截面方向比的变刚度椭圆柱壳屈曲性能要明显好于对应的准各向同性椭圆柱壳,且横截面越接近圆形,曲线纤维对椭圆柱壳屈曲性能的改善越弱。      

一般边界条件下受轴向冲击圆柱壳的动力特性计算分析

在受轴向冲击圆柱壳的非冲击端引入轴向、周向、径向和径向旋转4个方向边界弹簧模拟一般边界条件。根据Love薄壳理论得到圆柱壳变形过程中的应力应变,并采用一种改进的Fourier级数方法表示圆柱壳沿坐标轴方向的位移。将应力应变以及位移代入圆柱壳的能量表达式,采用基于Hamilton方程的一阶变分法对能量表达式进行推导和变换,得到一般边界条件下受轴向冲击圆柱壳的自然频率以及动力屈曲临界载荷的判别式。计算分析了一般边界条件对受轴向冲击圆柱壳的自然频率和屈曲临界载荷的影响,以及不同边界条件圆柱壳屈曲模态的类型特点。结果表明：一般边界条件下自然频率随着冲击载荷增大而降低;随着轴向波数的增加圆柱壳自然频率及屈曲临界载荷增大,随着周向波数的增加屈曲临界载荷也增大;轴向、周向、径向和径向旋转各个方向边界刚度对圆柱壳自然频率和屈曲临界载荷的影响都是刚度系数越小,自然频率越低而临界载荷越大;圆柱壳受轴向冲击,边界条件的改变会影响屈曲模态。     

复合材料圆柱壳的轴压屈曲失效试验

为了研究高径比大于1的复合材料圆柱壳的轴压屈曲性能及其失效模式,对2组单向纤维圆柱壳和3组外侧环裹环向纤维圆柱壳进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,利用有限元模型分析了单向纤维圆柱壳两种屈曲形式的破坏机制,对比分析了两种铺层试件的轴压性能。结果表明:单向纤维复合材料圆柱壳出现先纵向劈裂后板壳屈曲和先柱壳屈曲后纵向劈裂的两种破坏模式;外侧环向纤维可改善圆柱壳的轴压性能,屈曲发展有一定的阶段性并表现出延性特征,破坏形式和承载力均较为稳定。     

基于自动铺放技术的高精度变刚度复合材料层合板屈曲性能

基于自动铺放技术制备的曲线变刚度复合材料层合板,通过定制面内刚度,可有效提高结构的抗屈曲性能。在铺放过程中,铺放轨迹的路径规划是实现变刚度设计的关键技术之一。鉴于此,本文分别以纤维角度线性变化曲线、等曲率曲线及二次Bezier曲线构成的纤维轨迹为研究对象,对其压缩屈曲性能进行参数化分析。并利用有限元模型研究了铺丝头上丝带宽度对层合板型面精度和抗屈曲力学性能的影响。结果表明:在压缩工况下,二次Bezier曲线路径的抗屈曲性能最佳,等曲率曲线路径受曲率约束的影响最小。铺丝头丝束宽度一定,丝带宽度与重叠区域面积和抗屈曲性能呈负相关。使用最大的丝带宽度可最大程度地减小重叠区域面积,提高结构的型面精度,同时保证结构屈曲性能提高37.3%。      

考虑纤维面外起伏的变刚度层合板优化策略研究

针对变刚度层合板在自动铺放制造过程中因间隙/重叠缺陷产生大量纤维面外起伏缺陷的问题,提出采用铺层偏移法与断送纱策略两种铺层优化策略来进行变刚度层合板的铺层设计,在研究过程中同时引入考虑间隙/重叠缺陷建模的方法。根据变刚度层合板铺层的特点提出缺陷重复单元的概念,通过对缺陷重复单元的分析来反映纤维面外起伏的影响,并提出通过纤维面外系数来表征变刚度层合板的纤维面外起伏尺度,最后对不同优化策略的变刚度层合板的屈曲性能进行分析。研究表明:基准设计方案、铺层偏移法与断送纱策略所对应的纤维面外起伏系数为0.83、0.95、0.93,所提出的优化策略对变刚度层合板的纤维面外起伏尺度有着明显的抑制作用。铺层偏移法优化后的[±<50/65>]_6s变刚度层合板最大厚度超差为33%,所对应的屈曲载荷为9117.1 N,屈曲载荷提升17.6%;断送纱策略优化后的[±<50/65>]_6s变刚度层合板最大厚度超差为50%,所对应的屈曲载荷为9716.3N,屈曲载荷提升25.3%。      

Bezier曲线变角度层合板设计及屈曲特性分析

基于二次Bezier曲线法,开展纤维变角度层合板的屈曲特性研究。首先,对原始的二次Bezier曲线进行了扩展,提出了分段式二次Bezier曲线变化方法,重新定义了纤维变角度铺放参考路径,确定了变角度层合板的表示形式。其次,以[0±20(β)65]_(2s)和[90±20(β)65]_(2s)为例对变角度层合板的屈曲特性进行了有限元分析,并与定角度层合板对比。最后,研究了不同终止角α和连接点参数β对层合板屈曲性能的影响,结果表明:连接点参数β的增大使得两种变刚度层合板的线性屈曲载荷先增大后减小,终止角大于起始角时,层合板的一阶屈曲载荷逐渐增大,铺放角度的增大有利于层合板屈曲载荷的提高。     

复合材料圆柱壳非轴对称动力屈曲

考虑应力波效应,通过Hamilton原理得到轴向阶跃荷载下复合材料圆柱壳非轴对称动力屈曲控制方程。根据圆柱壳周向连续性设出径向位移的周向函数形式,使用分离变量法得到应力波反射前复合材料圆柱壳动力屈曲临界荷载解析解及屈曲模态,将该结果与里兹法所得结果进行了对比,结果表明两种方法所得临界荷载差值等于转动惯性的影响项。用MATLAB软件编程分析了径厚比、铺层角度等因素对临界荷载的影响。结果表明转动惯性对圆柱壳动力屈曲临界荷载的影响可以忽略,环向模态数越大,临界荷载越大且对应的屈曲模态图越复杂。     

轴压作用下矩形开口圆柱壳的稳定性

利用数值方法系统研究带矩形开口的薄壁圆柱壳的稳定性能．对矩形开口的周向角度、高度、轴向位置、开口数量等几何参数进行比较分析,并考察两类几何初始缺陷对结构稳定性的影响．分析表明,影响矩形开口圆柱壳轴压下稳定性的主要因素是周向开口角度,屈曲荷载随开口角度的增大而线性下降,而开口高度及开口的轴向位置对屈曲荷载的影响很小．此外,矩形开口圆柱壳对以特征值屈曲模态分布的初始缺陷并不敏感,但对周向轴对称凹陷十分敏感．     

考虑制造因素的变刚度层合板的抗屈曲铺层优化设计

与常规层合板相比,变刚度层合板的制造、有限元建模分析和铺层设计有其特殊之处。首先对设计时需考虑的制造因素进行了归纳,提出了变刚度层合板的铺层设计要求。然后给出了变刚度层合板的理想模型和考虑丝束宽度模型的建模方法。基于理想模型对ABAQUS的前处理模块进行二次开发,利用编制的参数化建模程序分析了不同铺放角的变刚度层合板的屈曲性能,并讨论了最小曲率半径对铺层的限制和变刚度设计提高屈曲载荷的机制。基于变刚度层合板的抗屈曲机制建立了一种铺层优化设计方法,使用遗传算法经两步优化得到最优铺层。对最优铺层建立考虑丝束宽度的模型以研究丝束宽度和铺层偏移对变刚度层合板抗屈曲铺层优化结果的影响。研究表明,在变刚度层合板的抗屈曲铺层优化中使用简化的理想模型通常来说是可行的。在考虑制造因素的情况下,优化后的变刚度层合板较常规层合板屈曲载荷有显著提高。     

面向变刚度复合材料筒壳高效屈曲分析的变保真度迁移学习模型

相较于传统直线铺层设计的复合材料筒壳结构,变刚度复合材料筒壳结构通过曲线纤维路径铺层,可以极大地增加复合材料的设计空间,进而获得更优的抗屈曲能力。为了准确描述曲线纤维路径,需要针对变刚度复合材料筒壳建立精细有限元模型,因此对屈曲分析和优化效率带来了较大的挑战。本论文以变刚度复合材料筒壳结构的线性屈曲及后屈曲承载力快速预测为目标,提出了一种变保真度迁移学习模型的构建方法。首先,针对变刚度复合材料筒壳结构建立合适的高保真度、低保真度模型;然后,基于大量低保真度样本数据作为源域样本集建立并训练深度神经网络,得到预训练模型;最后,以少量高保真度样本数据作为目标域样本集对最后一层神经网络参数进行微调,训练得到变保真度迁移学习模型。变刚度复合材料筒壳线性屈曲和后屈曲算例结果表明,在达到相同的预测精度水平时,变保真度迁移学习模型比直接采用高保真度样本数据构建的代理模型分别节约了47.7%和62.3%的计算成本,验证了提出方法的高效率优势。同时,与基于桥函数构建的变保真度代理模型和Co-Kriging进行比较,所提出方法在不同高保真度、低保真度样本数据组合下均具有更优精度,验证了提出方法的高精度优势。     

复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析

对完整复合材料圆柱壳轴向压缩性能进行了试验研究,得到了圆柱壳结构的破坏载荷和各测量点的载荷-应变曲线,通过分析得出结构的破坏形式为屈曲破坏。利用ANSYS有限元软件建立了模型,对复合材料圆柱壳进行屈曲分析,将有限元计算的结构变形和屈曲载荷与试验结果进行对比,计算结果与试验结果一致,验证了模型的有效性。利用建立的有限元模型,分析了开口尺寸和铺层角度对含矩形开口的复合材料圆柱壳屈曲载荷的影响。在开口处加装复合材料口盖对结构进行补强,补强后的柱壳结构满足强度设计要求。     

基于弹性基础梁理论的复合材料薄壁圆柱壳屈曲承载力模型

提出一种复合材料薄壁圆柱壳轴压局部屈曲承载力计算模型。在梁弯曲变形平截面假定和小变形假定的基础上,提出复合材料层合梁抗弯刚度的计算方法;根据轴压下圆柱壳的几何对称性及受力对称性,将圆柱壳局部屈曲问题转化为轴向和环向壳带的弯曲变形问题。依据薄壳稳定理论,建立弹性基础上纵向壳带局部屈曲模型,得到了复合材料圆柱壳屈曲承载力解析公式。理论计算公式与经验工程计算公式相比,具有形式上的相似性,且得到的计算系数可直接求出,而非经验范围选取。对三种铺层的复合材料薄壁圆柱壳进行了轴压试验,结合文献试验数据对比,试验结果与理论预测值基本一致,满足工程精度要求,验证了模型的正确性。     

缠绕图型对纤维缠绕复合材料力学性能影响的有限元模拟

针对纤维缠绕复合材料结构中存在纤维束交叉起伏和铺层走向交替的特点,建立了一种分析缠绕图型对缠绕复合材料结构力学性能影响的有限元方法。采用ABAQUS有限元软件,分析了考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后缠绕复合材料圆柱壳的应力、应变分布规律,并且研究了缠绕图型对缠绕圆柱壳屈曲临界载荷的影响。结果表明:采用层合板模型计算得到的圆柱壳的应力分布比较均匀;考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后,缠绕复合材料圆柱壳的应力不再均匀分布,应力云图出现规则分布的菱形图案,在菱形区域中纤维交叉起伏和铺层走向交替处的应力有明显的波动。本实验有限元模型中的菱形特征单元可以反映缠绕复合材料纤维交叉起伏和铺层走向交替的实际情况。     

缠绕图型对纤维缠绕复合材料力学性能影响的有限元模拟

针对纤维缠绕复合材料结构中存在纤维束交叉起伏和铺层走向交替的特点,建立了一种分析缠绕图型对缠绕复合材料结构力学性能影响的有限元方法。采用ABAQUS有限元软件,分析了考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后缠绕复合材料圆柱壳的应力、应变分布规律,并且研究了缠绕图型对缠绕圆柱壳屈曲临界载荷的影响。结果表明:采用层合板模型计算得到的圆柱壳的应力分布比较均匀;考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后,缠绕复合材料圆柱壳的应力不再均匀分布,应力云图出现规则分布的菱形图案,在菱形区域中纤维交叉起伏和铺层走向交替处的应力有明显的波动。本实验有限元模型中的菱形特征单元可以反映缠绕复合材料纤维交叉起伏和铺层走向交替的实际情况。     

加筋复合材料圆柱壳的屈曲和初始后屈曲的研究

本文分析了筋和壳的儿何参数及壳的铺层对纵向或环向密加筋的复合材料层合圆柱壳在轴压和侧压下的稳定性和初始后屈曲性能的影响。初始后屈曲分析基于Koiter理论。对几种不同几何参数、壳体铺层和载荷情况的加筋壳的计算表明:在所有情况下,外加筋比内加筋更有效地提高了屈曲载荷;复合材料壳的加筋效率一般都高于各向同性材料加筋壳;壳体的铺层对屈曲和初始后屈曲性能有很大影响。     

径向冲击下复合材料层合圆柱壳的动力屈曲

采用Lagrange方程导出包含横向剪切变形和转动惯量的复合材料层合圆柱壳径向脉冲屈曲控制方程;用四阶Runge-Kuta方法对方程数值求解,寻找占优屈曲模态数及对应于允许初缺陷放大值时的临界冲击速度;通过计算碳/环氧材料角铺设层合圆柱壳,讨论了横向剪切变形、壳体几何尺寸、铺层角度等因素对层合圆柱壳动力屈曲的影响.     

玻璃-环氧圆柱壳吸能特性的试验研究

主要研究[±H]5 玻璃-环氧圆柱壳在轴向压缩载荷作用下的吸能特性。通过试验研究, 分析了纤维缠绕角度对能量吸收性能的影响; 比较了不同纤维缠绕角度的圆柱壳在不同加载条件下的压缩过程、压碎破坏模式及吸能能力。      

含环向贯穿脱层的轴压圆柱层壳屈曲分析:I——基本方程与定解条件

复合材料层合圆柱壳是一种常用的承载结构,在其制造、运输和使用过程中可能会出现脱层,这将影响圆柱壳的承载能力,因此,建立正确的分析模型来研究脱层壳的承载能力是非常有必要的。首先将含任意位置环向贯穿脱层的轴压圆柱壳分成多段子壳,用厚度的三次多项式和环向的三角级数模拟脱层壳屈曲时子壳的轴向和环向位移;然后利用变分原理导出了脱层壳的屈曲方程和定解条件;最后,将控制方程和定解条件写成状态空间形式并在轴向用状态空间方法进行求解。     

丝束变角度层合板屈曲性能的参数化研究

通过选择合适的纤维轨迹,丝束变角度(VAT)层合板相对于直纤维层合板能拥有更好的抗屈曲特性。为研究纤维轨迹特征长度和定向坐标系偏角对VAT层合板屈曲性能的影响,首先对原始的纤维角度线性变化方法进行改进,提出了一种纤维角度分段线性变化方法,拓展了纤维轨迹的设计空间;其次,采用改进后的纤维轨迹定义方法构建了一系列变刚度层合板;最后,基于有限元方法,从内力分布角度对变刚度层合板不同承载情况下的屈曲性能进行研究和探讨。数值结果表明:单向轴压工况下,采用半边长的特征长度和90°偏角的纤维轨迹,能使层合板的稳定性最好;双向轴压工况下,应将特征长度和定向坐标系偏角作为额外的设计变量,并通过优化获得最优的纤维轨迹。     

典型边界条件下任意截面纵肋加筋圆柱壳固有特性计算与分析EI北大核心CSCD

针对纵向加肋圆柱壳自由振动问题,考虑结构边界条件的复杂性和纵肋截面的任意性,在壳体两端引入连续可变的弹性约束,推导任意截面纵肋剪切中心与圆柱壳中面位移协调关系,并利用Gram⁃Schmidt正交法构造的级数表示壳体轴向振型函数。采用Novozhilov壳体理论,计及壳体和纵肋能量泛函中各向平移与转动惯性项贡献,基于Rayleigh⁃Ritz法得到结构自由振动的特征方程表达式,建立纵向加肋圆柱壳自由振动的统一动力学分析模型。调整约束弹簧刚度等效不同边界条件,应用该模型探究了相应边界下肋条附加位置、肋条数量和肋条偏心距对纵向加肋圆柱壳固有频率的影响。研究表明:在一定周向波数范围内,外部加肋和内部加肋圆柱壳固有频率之差的绝对值与周向波数n的变化呈正相关;增加肋条数量会降低内部加肋圆柱壳的固有频率;增大肋条偏心距会降低内部加肋圆柱壳固有频率,且偏心距与肋条数量对固有频率的影响会产生叠加效应。研究结果与验证了所提的统一动力学分析模型的精确性和有效性。