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。     

带脱层的复合材料层板的屈曲分析

用基于Mindlin 板理论的有限元方法进行了带脱层损伤的复合材料层板的屈曲载荷分析。为了获得物理上可能的屈曲模态, 即避免上下脱层的相互贯穿, 在接触区域引入一些假想弹簧, 并给出了这些假想弹簧刚度系数的计算公式和接触计算的迭代格式, 通过这些弹簧对原始刚度矩阵进行修正可以有效地求解屈曲载荷特征值分析中的接触问题。数值计算结果表明了本算法的有效性和引入接触分析对这类屈曲分析的重要性。同时, 还对脱层的大小、形状、位置和脱层的纤维铺层方向对屈曲载荷的影响进行了研究。      

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。     

含脱层单向铺设层合梁非线性后屈曲分析

采用四分区模型,将含脱层单向铺设复合材料层合板梁分为4个子梁,根据复合材料层合理论,考虑后屈曲路径上位于脱层界面上、下子梁之间的局部受力与变形机制,建立了子梁之间接触力与变形之间的非线性定量关系。在此基础上,结合可伸长梁的几何非线性理论,推导出了计及接触效应的各子梁的非线性后屈曲控制方程。设定简支板梁的边界条件以及脱层前沿处各子梁之间力和位移的连续性条件,通过对控制方程和定解条件归一化,采用小参数摄动法求解,并根据梁的平衡微分方程的特点,解析其通解与特解的构造,获得了含脱层单向铺设层合梁受轴向压力作用的临界屈曲荷载及后屈曲平衡路径的理论解。通过对含脱层单向铺设的复合材料层合梁进行数值分析,综合讨论了脱层长度和深度等对层合板梁的临界屈曲载荷及接触性能的影响,并将所得的理论解与ABAQUS有限元分析得到的结果进行对比,结果表明二者高度吻合。研究发现梁的屈曲模态包含宏观的整体失效模态和界面的微观屈曲模态。梁的屈曲荷载和接触性能都是其固有属性,前者受梁的几何参数和材料参数的影响较显著,而后者则主要受脱层的位置和大小影响。     

含内埋矩形脱层板屈曲分析的传递函数方法

研究了含任意内埋矩形脱层复合材料层合板的屈曲问题。采用一种基于Mindlin一阶剪切理论的条形传递函数方法,将含内埋矩形脱层的复合材料层合板分成含脱层和不含脱层的两种矩形超级单元,然后由各超级单元之间连接结点处的位移连续和力平衡条件得到脱层板屈曲的特征方程,进而得到脱层板的屈曲载荷和屈曲模态。进行参数分析发现,脱层大小、深度、位置以及脱层板的边界条件和复合材料铺层方向对脱层板屈曲载荷的影响较显著。     

含脱层复合材料层合杆在轴向应力波作用下的动态屈曲

研究了有限长、含脱层损伤复合材料层合直杆受轴向阶跃载荷作用的弹性动力屈曲问题。将含脱层损伤复合材料层合直杆的屈曲问题归结为由轴向应力波传播导致的分叉问题，并考虑了应力波反射的影响。给出了分叉发生的临界条件。研究了脱层长度、铺层角度对动力屈曲的影响。分析结果表明脱层损伤极大的降低了复合材料直杆的极限动力承载能力。     

面芯脱粘缺陷对复合材料夹芯圆柱壳屈曲特性影响分析

面芯脱粘是复合材料夹芯结构常见的损伤形式。本工作综合考虑面芯界面损伤演化、分层屈曲以及分层扩展的耦合作用,建立了深水静压载荷下复合材料夹芯圆柱壳极限承载能力预报方法。基于非线性极限载荷计算方法,通过预制初始缺陷,开展了含面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳屈曲特性分析,揭示了典型面芯脱粘缺陷对复合材料夹芯圆柱壳失效模式及极限承载的影响机理,得到不同面芯脱粘形式、脱粘尺寸、脱粘位置的影响规律。研究发现,随贯穿面芯脱粘长度增加,结构失效模式发生整体屈曲→混合屈曲→局部屈曲演化;外蒙皮/芯层面芯脱粘对含环向贯穿面芯脱粘复合材料夹芯圆柱壳极限承载敏感度更高,内蒙皮/芯层界面脱粘对含纵向贯穿面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳极限承载敏感度更高;对于多个局部圆形面芯脱粘,沿纵向分布越集中、沿环向分布越离散,结构极限承载损失率越高。研究成果对面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳的优化设计与可靠性评估具有很好的指导意义。     

含脱层纤维增强复合材料层合板在湿热环境下的屈曲分析

依据复合材料细观力学研究了含脱层的正交各向异性复合材料层合板的力学性能与温度和湿度的关系,在宏-细观力学模型框架下建立了考虑湿热效应的屈曲控制方程,利用空间上分离变量的方法求解了控制方程,得到满足连续性条件和边界条件的控制方程的解。通过含脱层的复合材料层合板的屈曲数值算例,综合讨论了几何参数、材料参数和湿热环境等多方面的参数变化对含脱层的正交对称铺设复合材料层合板的临界屈曲载荷的 影响。     

考虑剪切效应的轴对称脱层圆板的后屈曲分析

基于Von Karman板理论,考虑横向剪切变形,建立了具脱层的轴对称层合圆板的后屈曲控制方程。应用正交配点法,将后屈曲控制方程、边界条件、以及连续条件转化为非线性方程组,然后进行迭代求解。讨论了不同脱层深度和脱层半径对层合圆板的屈曲及后屈曲特性影响,且与有关文献的结果进行了比较。     

复合材料层合板临界屈曲载荷分散性

基于随机场理论, 将纤维和基体性能以及纤维体积分数作为随机场变量, 利用局部平均法对随机场进行离散。结合MATLAB与ANSYS的PDS模块对复合材料层合板临界屈曲载荷进行Monte-Carlo模拟, 分析各类随机场变量、随机场的相关长度、对称性和边界条件对临界屈曲载荷分散性的影响。结果表明: 不同随机场变量对层合板屈曲载荷分散系数影响的程度不同, 纤维体积分数的影响最大, 其次为纤维性能与基体性能; 屈曲载荷的分散系数存在尺寸效应, 随着板尺寸的增加, 屈曲载荷分散系数逐渐减小; 减小相关长度可有效地减小屈曲载荷的分散系数; 纤维正对称铺设所引起的屈曲载荷分散系数稍大于反对称铺设情况, 而两对边固支板的屈曲载荷分散系数一般大于四边简支板的结果。     

An analytical approach for local buckling analysis of initially delaminated composite thin-walled columns with open and closed sections

Local buckling of intact thin-walled columns is generally performed by modeling the wall segments as long plates and by assuming that edges common to two or more plates remain straight. Thus, the buckling load can be determined by considering the wall segments as individual plates rotationally restrained by the adjacent wall segments. This technique is combined with plate theories as a new analytical method to predict the buckling load of an initially delaminated column with any arbitrary sections (open or closed). First, moments at the rotationally restrained edges of delaminated segment (web or flange) are obtained from the curvature and stiffness of the adjacent laminates. Then, the strain energy of this delaminated segment with distributed moment at edges is calculated based on the first-order shear deformation theory. Using the principal of minimum potential energy, the governing equations are obtained and solved by the Rayleigh–Ritz approximation technique. Results of the present approach are compared with three-dimensional finite-element results obtained from eigenvalue buckling analysis in ANSYS software for both box- and channel-section columns with cross-ply and angle-ply stacking sequences. Finally, the effects of delamination size and location are investigated on the buckling loads.     

3D复合材料中纤维搭桥对脱层屈曲的影响

本文用能量法求解了绑结层合板和编织复合材料等3D复合材料中有纤维搭桥的圆形脱层屈曲问题。搭桥纤维被视为连续分布于脱层面上、可提供与脱层屈曲挠度成正比的恢复力的线性弹簧，根据脱层夹支边界条件以及脱层只能向一个方向挠曲的约束条件，导出了一个特征长度a0，当脱层半径a超出a0时，脱层屈曲将仅发主在r＜a0的子圆域之内，并不跨越整个脱层区域（r≤a）；当脱层半径a小于a0时，脱层屈曲将跨越整个脱层区域，并随着a的减小，脱层屈曲的临界载荷将逐渐提高。     

Buckling analysis of delaminated laminates with consideration of contact in buckling mode

This paper concerns the buckling load analysis of laminates with a pre‐existing delamination, using the finite element method based on the Mindlin plate theory. To deal with the contact problem in the buckling mode, an effective algorithm is presented. In this method, an iterative updating process based on the first‐order sensitivity analysis and the quadratic programming technique is proposed to compute the fictitious forces in contacting areas at first. These fictitious forces are then transferred into the stiffness parameters of some artificial springs. The original stiffness matrix of system can be modified, using these artificial springs. Finally, the penetration between two delaminated layers in the buckling mode can be prevented effectively. Numerical examples show that this method is very efficient to solve the contact problem in eigenvalue analysis from the viewpoint of its accuracy, stability and convergence speed. The effects of contact and delamination size on the buckling load analysis are also investigated. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

含分层损伤的复合材料格栅(AGS) 板的非线性热屈曲分析

采用基于复合材料一阶剪切效应理论的有限元法分别研究了含分层损伤的复合材料层合光板、 单向加筋板和格栅加筋(AGS)板的热屈曲性态。在分析中考虑材料热物理性质与温度相关特性, 同时在分层前缘采用了位移约束条件以保证分层区域的各子板的变形相容要求。3种结构的典型算例分析和结果的比较表明, 复合材料格栅(AGS)板具有很强的抗热屈曲的能力, 但是, 分层损伤将使其临界温度降低, 同时还会导致热屈曲的模态发生改变。本文中提出的方法和所得结论对AGS结构的热承载能力预测和损伤容限设计将具有参考价值。      

含多分层损伤的先进复合材料格栅加筋圆柱壳(AGS)的热-机耦合非线性屈曲分析

采用基于复合材料一阶剪切理论的有限元法研究了含多分层损伤的先进复合材料格栅加筋(AGS)板壳结构的热-机耦合屈曲性态,在屈曲分析中考虑了材料热物理、力学性质与温度相关特性和分层损伤处的上子板、下子板的接触效应。同时在分层前缘采用了位移约束条件以保证分层区域的各子板的变形相容要求。通过一含多分层损伤的典型复合材料格栅(AGS)圆柱壳结构算例分析,讨论了在热-机耦合作用下分层大小、个数和分层位置对该结构屈曲性态的影响。结果表明:复合材料格栅(AGS)圆柱壳结构具有较强的抗热屈曲的能力和良好的损伤容限性。该文提出的方法和所得结论将对AGS结构的热-机耦合屈曲能力的预测和损伤容限设计具有一定参考价值。     

基于弯曲刚度最大分层临界载荷的层压板局部屈曲预测

提出了一种预测含特定分层损伤层压板发生局部屈曲时整体应变的方法。认为含分层子板的局部屈曲载荷由其弯曲刚度最大的分层决定, 因而含有相同最大弯曲刚度分层的不同子板具有相同的屈曲载荷。在已知弯曲刚度最大分层的屈曲载荷的情况下, 根据层压板的轴向刚度公式, 计算出发生局部屈曲时弯曲刚度最大的分层与完好的基板分别承受的载荷, 即得到总载荷, 进而得到层压板的整体应变。用ABAQUS有限元分析软件建立含分层损伤的层压板模型, 使用准静态加载进行了多种分层深度和分层位置下的局部屈曲仿真, 所得局部屈曲载荷符合上述推论。用所提方法预测发生局部屈曲时的整体应变, 结果与有限元结果吻合较好, 此方法可用于建立分层参数识别的参照样本库。