复合材料柱面壳压缩性能分析

对三分之一复合材料柱面壳进行压缩性能试验研究与理论分析, 试验得到柱面壳的破坏方式为屈曲破坏。利用有限元法对其建模分析和静强度分析, 得到的静强度远大于屈曲强度, 因此柱壳应该首先发生屈曲破坏, 这与试验结果相符; 且理论计算所得的屈曲强度与试验结果相符, 说明该模型可以用来分析整个复合材料柱壳的压缩破坏行为, 研究结果可为柱壳的结构设计提供参考。对比某一载荷下理论模型与实际模型上对应点的应变, 发现二者结果相符, 证明有限元建模有效。然后分别对理论模型进行屈曲分析。      

纤维增强复合材料薄壁圆管扭转失效分析

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁圆管的扭转屈曲、失效载荷和失效模式进行了试验和数值模拟。试验观察圆管在扭矩作用下的3种失效模式,分析了不同失效模式的特征和机理。考虑圆柱壳的初始缺陷和非线性屈曲等因素,利用ABAQUS建立了圆管屈曲和损伤的有限元模型。结果表明:屈曲诱发圆管表面微裂纹的产生和扩展,对圆管的失效有着加速作用;扭转失效过程中圆管层间应力较低,层间分层主要由管壁突然的破坏产生;圆柱壳的初始缺陷对屈曲和失效载荷的模拟影响较大,本文通过对比计算结果和试验数据确定了圆管的初始缺陷系数;损伤模型的数值模拟结果与试验数据相一致,验证了有限元模型的有效性。      

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。     

MT300/KH420碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料层合圆柱壳高温承载性能

基于Donnell-Mushtali近似理论及热弹性理论,考虑结构热变形和材料高温性能衰减等温度影响因素,对MT300/KH420碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料圆柱壳在常温、420℃及周向210~420℃不均匀温度场等热载工况下的承载性能进行了理论分析。并引入一阶屈曲模态缺陷作为几何初始扰动,利用ABAQUS,采用非线性显式动力学方法完成对MT300/KH420复合材料圆柱壳在以上热载工况下的轴压稳定性有限元仿真计算,计算结果与理论分析较为一致。设计并开展MT300/KH420复合材料圆柱壳力-热载荷联合轴压试验,获得圆柱壳在以上热载工况下的破坏载荷和破坏模式。研究表明:高温工况下,力学性能衰减和温场不均匀引起的结构热变形是影响MT300/KH420复合材料圆柱壳轴向失稳载荷的主要因素。      

复合材料圆柱壳中心受横向集中载荷作用的渐进破坏非线性有限元分析

旨在建立能够正确预计复合材料圆柱壳的屈曲和后屈曲渐进破坏行为的模拟策略。采用有限元方法和Hashin失效准则进行模拟,基于该失效准则编写了用户材料子程序,然后插入到商用有限元软件ABAQUS中。分析了中心受横向集中载荷作用复合材料圆柱壳板,壳板的2条直边弹性支持,2条曲边自由。为了探讨弹性边界条件和集中载荷作用点应力集中的影响,将有限元分析结果与文献中的试验结果进行了比较,提出了一种合理的弹性边界选取依据。研究结果表明,在建模中考虑了弹性边界和集中载荷作用点处存在的应力集中后,本文中模拟的结果与文献中的试验结果比较接近,模拟精度明显高于文献中报道的结果。这也验证了本文中建立的模拟策略的合理性。     

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。     

带口盖加筋复合材料壁板剪切性能

采用试验和有限元方法研究了带口盖加筋复合材料壁板的剪切性能。在带口盖加筋复合材料壁板有限元模型的基础上, 去掉口盖, 对不带口盖的大开口加筋复合材料壁板进行了有限元模拟分析, 以此研究口盖对带口盖加筋复合材料壁板的影响。试验和数值计算结果表明: 当达到屈曲载荷时, 带口盖加筋复合材料壁板各个区域同步发生屈曲, 最终破坏位置位于加强筋条以外的复合材料壁板区域; 去掉口盖后, 结构的刚度以及承载能力降低, 结构的应力集中点以及损伤起始位置均发生变化, 破坏时失稳形式无明显变化, 均为局部失稳。      

模态缺陷条件下复合材料柱形壳屈曲特性

为了开展多模态缺陷条件下复合材料柱形壳的屈曲特性研究,进行了理想柱形壳在轴压工况下的线性屈曲分析,得出前50阶屈曲失稳模式,即模态缺陷;基于弧长法研究不同模态缺陷条件下复合材料柱形壳的非线性屈曲特性;将有限元分析结果、NASA SP-8007规范计算结果与Bisagni试验结果作对比分析。结果表明:对于轴压柱形壳屈曲问题,第1阶模态缺陷不是最差缺陷,在第1阶模态缺陷条件下求出的非线性屈曲载荷比试验值高出较多;高阶模态缺陷条件下的复合材料柱形壳非线性屈曲计算结果与试验结果最为吻合,两者相差较少;屈曲载荷下降受缺陷形状、幅值双重影响,复合材料柱形壳屈曲计算需考虑多模态问题;NASA求出的屈曲载荷非常保守,低于试验值较多,用NASA方法进行复合材料柱形壳的设计,往往会导致结构笨重、材料浪费、性能降低。     

轴压薄壁加筋圆柱壳结构优化设计研究

分别建立了轴向载荷作用下正置正交薄壁加筋圆柱壳结构优化设计的数学模型和有限元分析模型,应用Ansys软件进行优化计算,讨论了外载荷、材料屈服极限对优化设计的影响,以及结构参数对薄壁加筋圆柱壳结构的临界载荷和屈曲模式的影响。基于有限元分析的研究结论,发展了一种薄壁加筋圆柱壳结构优化设计方法,给出设计算例的优化结果,并将两...     

复合材料层合板开口翻边补强试验和数值研究

对复合材料开口补强层合板进行压缩试验研究。对复合材料开口非补强和开口补强层合板建立有限元模型,采用三维8节点厚壳单元 ( S8R),分别利用非线性分析和线性分析方法对复合材料的应力-应变响应进行模拟。通过试验数据与数值结果对比发现,几何非线性分析方法较线弹性分析方法能更好地符合试验结果。通过编制材料子程序 (UMAT) 来预测材料的损伤萌生和扩展,预测的应力-应变响应、损伤扩展、失效强度基本与试验结果一致。      

开口及边界条件对复合材料三分之一柱面壳压缩屈曲性能的影响

研究了完整、开口周边加强及开口加口盖3种型式的复合材料三分之一柱面壳的压缩屈曲性能,考查了3种典型复合材料柱面壳的轴压屈曲强度,分析了开口及口盖对柱面壳压缩稳定性的影响.结果表明:开口大大降低了柱面壳的轴压屈曲强度;口盖可以部分恢复其强度,但很难达到开口之前的水平.进行了开口加口盖经编织物铺层三分之一柱面壳轴向压缩试验,其轴压屈曲强度比用平面织物制造的相同结构的降低很多.为了探究其轴压屈曲强度比同类结构偏低很多的原因,进行了非均匀加载复合材料柱面壳模型有限元分析.结果表明:柱面壳边界不均匀加载会降低其承载能力,根据柱面壳刚度分布制定边界载荷可以提高其承载能力.     

Buckling of Cracked Laminated Composite Cylindrical Shells Subjected to Combined Loading

A series of finite element analysis on the cracked composite cylindrical shells under combined loading is carried out to study the effect of loading condition, crack size and orientation on the buckling behavior of laminated composite cylindrical shells. The interaction buckling curves of cracked laminated composite cylinders subject to different combinations of axial compression, bending, internal pressure and external pressure are obtained, using the finite element method. Results show that the internal pressure increases the critical buckling load of the CFRP cylindrical shells and bending and external pressure decrease it. Numerical analysis show that axial crack has the most detrimental effect on the buckling load of a cylindrical shell and results show that for lower values of the axial compressive load and higher values of the external pressure, the buckling is usually in the global mode and for higher values of axial compressive load and lower levels of external pressure the buckling mode is mostly in the local mode.     

含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴压承载特性分析

为探究穿透裂缝对复合材料缠绕圆柱壳承载能力及失效模式的影响,首先开展不同壁厚含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴向压缩试验。对于A系列厚壁圆柱壳,裂缝导致承载能力下降53.96%,失效模式由局部屈曲转化为裂缝扩展、脆性断裂;而B系列薄壁圆柱壳均发生局部屈曲,裂缝使承载能力下降12.59%。其次,采用有限元软件ABAQUS 6.14,基于非线性RIKS算法,建立轴压作用下含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载能力计算模型,通过引入Hashin失效准则及损伤演化判据,预测结构渐进破坏模式及极限荷载。数值结果与试验数据吻合良好,最大误差为7.01%,验证了数值算法的可靠性。在此基础上,探讨裂缝方向、缠绕角度对含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载的影响,可知:对于±55°螺旋铺层复合材料圆柱壳,随裂缝角度α增加,极限承载能力先升高再降低,当α=45°时,具备最大承载能力;对于含开缝角α=15°、45°、55°缠绕圆柱壳,随缠绕角θ增加,其承载能力呈先上升后下降趋势。且开缝角越小,缠绕角度对极限荷载的影响越大,当缠绕角θ=30°时,达到最大承载能力。     

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。      

复合材料双曲率壳屈曲和后屈曲的非线性有限元研究

基于 ABAQUS软件分析平台 , 采用非线性有限元法研究了横向载荷作用下复合材料双曲率壳的屈曲和后屈曲行为。通过在有限元模型中引入 Tsai2Wu失效准则 , 预测了复合材料双曲率壳的初始失效及渐进破坏过程 , 数值结果和试验数据吻合较好 , 表明了该模型的合理有效性 , 并详细讨论了各种参数对屈曲和后屈曲行为的影响。经分析复合材料双曲率加筋壳在均布压载和剪力联合作用下的屈曲和后屈曲行为 , 得到了屈曲载荷的拟合曲线 , 研究表明顺剪力的存在有利于提高屈曲载荷。     

Delamination buckling and postbuckling in composite cylindrical shells under combined axial compression and external pressure

A series of finite element analyses on the delaminated composite cylindrical shells subject to combined axial compression and pressure are carried out varying the delamination thickness and length, material properties and stacking sequence. Based on the FE results, the characteristics of the buckling and postbuckling behaviour of delaminated composite cylindrical shells are investigated. The combined double-layer and single-layer of shell elements are employed which in comparison with the three-dimensional finite elements requires less computing time and space for the same level of accuracy. The effect of contact in the buckling mode has been considered, by employing contact elements between the delaminated layers. The interactive buckling curves and postbuckling response of delaminated cylindrical shells have been obtained. In the analysis of post-buckled delaminations, a study using the virtual crack closure technique has been performed to find the distribution of the local strain energy release rate along the delamination front. The results are compared with the previous results obtained by the author on the buckling and postbuckling of delaminated composite cylindrical shells under the axial compression and external pressure, applied individually.     

复合材料波纹夹层圆柱壳设计及轴压性能

结构轻量化是航空航天发展的永恒主题, 波纹夹层圆柱壳作为常见的轻质结构形式, 在航空航天领域具有很大的发展空间。采用模具热压法, 制备出纵向和环向碳纤维复合材料波纹夹层圆柱壳, 其中芯子整体成型, 面板分瓣制备。采用经典板壳屈曲理论, 分析纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴压力学性能, 得到了欧拉屈曲、整体屈曲、局部屈曲和面板压溃4种失效模式下的极限载荷理论公式。绘制出结构的失效机制图, 直观显示出了失效模式与试件尺寸之间的关系。通过对纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴向压缩试验, 获得了结构的载荷-位移曲线及局部屈曲和面板压溃2种失效模式。结果表明:纵向波纹夹层圆柱壳的轴向承载能力及载荷/质量效率优于环向波纹夹层圆柱壳, 在一定范围内增加圆柱壳面板的厚度、减小圆柱壳的高度可提高结构的载荷/质量效率。