轴压载荷下夹层圆柱壳结构屈曲承载力优化

夹层圆柱壳结构在导弹、火箭、船舶舱体结构及飞机机身结构上有着广泛的应用前景,此类结构承受轴压或弯曲载荷时极易屈曲和结构失稳,主要的失效形式表现为总体和局部屈曲。采用解析方法对轴压载荷下的夹层圆柱壳结构进行了受力分析,获得了影响结构承载效率的设计参数。采用有限元方法建立了参数化建模、屈曲分析和优化设计一体化分析与设计模型,通过解析和有限元结果比对分析验证了优化模型的准确性,并利用优化模型对夹层圆柱壳结构进行了承载力效率优化。数值算例结果表明:优化后结构承载效率从4.397×106N/kg增加到5.687×106N/kg,提升了29%,表明通过在可行设计域内对设计变量进行合理取值,能够获得承载性能更高效的结构,可为夹层圆柱壳结构设计应用提供参考。     

构型参数对格栅圆柱壳侧压稳定性影响研究

基于有限元参数化建模方法,开展了受侧压格栅圆柱壳的稳定性分析。在总体积相同情况下,以正交格栅、正交各向异性格栅、等格栅圆柱壳为研究对象,分析了圆柱壳包含不同体胞数、不同体胞构型以及给定体胞数时蒙皮厚度、筋骨尺寸变化对结构临界屈曲载荷、失稳模式的影响。计算结果表明:等体积下,格栅圆柱壳存在最佳匹配的体胞构型和体胞数来最大化临界屈曲载荷;侧压圆柱壳最大临界屈曲载荷发生在局部失稳与整体失稳的过渡区。     

整体编织加筋碳/环氧复合材料圆柱壳压缩试验

进行了整体编织复合材料圆柱壳轴压试验.实时记录载荷与多点变形曲线,测试蒙皮和加筋梁翼缘的应变,监测加载过程声发射信号,捕获破坏瞬态红外照片.测试结果显示:整体编织加筋碳/环氧复合材料具有较高的破坏强度,蒙皮和加筋梁翼缘腹板斜断口破坏,呈现脆性材料特征.     

整体编织加筋碳／环氧复合材料圆柱壳压缩试验

进行了整体编织复合材料圆柱壳轴压试验。实时记录载荷与多点变形曲线,测试蒙皮和加筋梁翼缘的应变,监测加载过程声发射信号,捕获破坏瞬态红外照片。测试结果显示：整体编织加筋碳／环氧复合材料具有较高的破坏强度,蒙皮和加筋梁翼缘腹板斜断口破坏,呈现脆性材料特征。     

正置正交加筋薄壁柱壳优化设计参数化有限元方法研究

利用有限元软件建立轴压正置正交加筋薄壁圆柱壳的参数化有限元分析模型,研究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。随着蒙皮厚度的增加,结构的屈曲模式由局部屈曲逐步变化到总体屈曲,屈曲载荷上升;随着加筋厚度或宽度的增加,由总体屈曲变化到局部屈曲,屈曲载荷上升。通过等体积时的参数变化对屈曲载荷和屈曲模式的影响研究,表明在对应某体积的设计中,只有一种设计使结构屈曲载荷达到最大,而当此最大的屈曲载荷等于设计载荷时,是最轻重量的设计。在此基础上发展一种基于APDL(Ansys parametric design language)语言的薄壁加筋圆柱壳结构优化设计方法,利用该方法给出设计算例的优化结果。     

弹性圆柱壳的稳定性优化设计

研究任意轴对称边界条件下和受均布法向载荷作用圆柱壳的稳定性优化设计问题，即极大化屈曲临界载荷。利用能量原理分析轴对称变厚度圆柱壳的分支点屈曲，将求解屈曲临界载荷变成求解广义特征值方程，使圆柱壳稳定性优化设计成为极大化最小特征值问题。实际算例验证了本方法的有效性。研究结果可用于圆柱壳的加肋优化设计。     

纵向波纹柱形耐压壳屈曲数值分析与试验研究

采用周向或轴向波纹,增强圆柱形耐压壳(简称圆柱壳)的承载能力已备受关注。采用数值与试验结合的方法,研究等容积圆柱壳和纵向波纹柱形耐压壳(简称波纹柱壳)的屈曲特性。首先,建立波纹柱壳的几何模型和数值模型,分析均布外压作用下,波纹参数变化对波纹柱壳屈曲特性的影响规律;其次,依据承载能力进行波纹参数优化设计,并制造两组等壁厚和等容积的圆柱壳和波纹柱壳实物模型;再次,测量两种模型的实际几何数据,分别建立其数值模型,并进行屈曲特性分析;最后,对圆柱壳和波纹柱壳的实物模型进行静水压力试验,与数值结果作对比分析。结果表明:均布外压下,等容积纵向波纹柱壳的屈曲性能优于柱形壳,其平均屈曲载荷提高了56.8%,纵向波纹改善了圆柱壳的承载能力。     

脱层复合材料圆柱壳屈曲的实验研究

脱层的存在将会大大降低层合结构的屈曲载荷.本文首先针对在轴压载荷作用下含脱层的复合材料层合圆柱壳,设计了测试其稳定性的实验方案.然后利用位移传感器、应变传感器、声发射仪器和红外热像仪等实验仪器,对含任意位置脱层与不含脱层的圆柱壳的屈曲载荷进行了实验测试,并对实验进行了精度分析.最后给出了实验结果并进行了讨论.     

脱层复合材料圆柱壳屈曲的实验研究

脱层的存在将会大大降低层台结构的屈曲载荷。本文首先针对在轴压载荷作用下含脱层的复合材料层合圆柱壳，设计了测试其稳定性的实验方案。然后利用位移传感器、应变传感器、声发射仪器和红外热像仪等实验仪器，对含任意位置脱层与不含脱层的圆柱壳的屈曲载荷进行了实验测试，并对实验进行了精度分析。最后给出了实验结果并进行了讨论。     

激光扫描法建模在开孔圆柱壳轴压屈曲中的应用

采用激光位移传感器对开孔圆柱壳的三维形貌进行测量,基于实测数据建立有限元模型,利用ABAQUS对不同开孔率的圆柱壳进行非线性有限元分析,模拟结果显示:载荷位移曲线先线性增大,后出现突变,轴向压力迅速减小,轴压屈曲临界载荷随着开孔率增大而减小。对开孔率为5%,10%,15%的圆柱壳进行轴压屈曲试验,试验采用液压装置进行轴压,轴压数据通过称重传感器获得。对轴压屈曲临界载荷模拟值与试验值进行比较,最小的相对误差只有10.8%。说明运用激光扫描法建模进行非线性有限元分析,可以较好地预测开孔圆柱壳轴压屈曲临界载荷。     

混合复合层材料增强金属内衬圆柱壳失效机理研究

重点针对混合复合层材料增强金属内衬圆柱壳在旋转或者内压载荷下的失效机理进行了研究.首先,通过有限元法建立圆柱壳的应力计算模型,并进行试验验证;其次,通过理论分析,明确随着载荷增加,金属内衬的应力率先达到屈服强度,并分析金属屈服后对复合材料层应力的影响;最后,设计验证试验,建立复合材料各层应力与爆破压力关联性方程,明确了...     

几何缺陷对复合材料加筋平板轴压屈曲影响研究

当前的设计准则要求复合材料结构在限制载荷下蒙皮不发生局部屈曲,因此对蒙皮屈曲载荷的准确预测至关重要。设计了三种构型复合材料加筋平板轴压试验件,研究蒙皮在轴压载荷下的屈曲和后屈曲;采用线性特征值有限元方法计算了蒙皮的轴压屈曲载荷;采用多阶屈曲模态线性组合的方式引入初始缺陷,应用非线性方法计算了蒙皮轴压屈曲载荷并进行了缺陷灵敏度分析。计算结果和试验结果对比表明:当前计算蒙皮屈曲的工程方法过于保守,有限元方法可以更准确的计算蒙皮的屈曲载荷;初始缺陷对复合材料平板屈曲载荷有一定影响,其影响大小与缺陷幅值息息相关,不考虑该缺陷,会得到非保守的计算结果。     

周期性格栅加筋结构的拓扑优化设计

应用拓扑优化技术研究了蒙皮厚度、加筋高度以及周期性格栅数对格栅加筋结构优化性能的影响。首先分析了不同蒙皮厚度和加筋高度组合下格栅优化构型的变化趋势,发现不同材料用量下具有最佳结构效率的优化结构拥有相同格栅构型。其次比较了周期性格栅数对单层和双层格栅加筋结构优化结果的影响,结果表明随着周期性格栅数的增加,结构优化性能逐渐趋于一个极限值,单刚度目标下周期性格栅数的奇偶性显著影响格栅优化构型,而刚度和频率多目标下周期性格栅数大于7×7后其对格栅优化构型的影响消失。研究结果对格栅加筋结构的格栅构型设计与选择具有指导意义。     

基于可伸展变形的双稳态圆柱壳计算模型

为提高双稳态复合材料圆柱壳设计的准确性和效率,基于可伸展变形和均匀曲率假设,提出复合材料圆柱壳双稳态特性分析的简化理论模型;利用Python语言,基于仿真软件Abaqus进行二次开发,建立了实现复合材料圆柱壳快速、参数化建模与自动后处理的插件。利用所提模型讨论了几何参数、铺设参数、温度对复合材料圆柱壳双稳态特性的影响。通过实验验证了计算模型的有效性和准确性。结果表明,该计算模型可满足复合材料圆柱壳的设计需求,为后续双稳态圆柱壳的优化设计奠定基础。     

损伤位置对复合材料加筋壁板轴压承载能力的影响

通过落锤冲击试验分别在复合材料加筋壁板的蒙皮中央、长桁平筋边缘和长桁轴线处冲击出深约1mm的凹坑,然后对其进行轴压试验,研究了损伤位置对加筋壁板轴压承载能力的影响,并与未损伤试样进行了对比。结果表明:损伤位置对复合材料加筋壁板轴压承载能力有很大影响,损伤位于蒙皮中央、长桁平筋边缘、长桁轴线处加筋壁板的屈曲载荷分别为未损伤加筋壁板的83.1%,90.7%,96.1%,破坏载荷分别为未损伤加筋壁板的90.2%,84.8%,79.7%;蒙皮对加筋壁板的整体稳定性起主要作用,筋条对加筋壁板的最终承载能力起主要作用。     

轻量化蜂窝3D打印路径自适应生成技术

为了解决当前模型轻量化的力学性能问题,根据材料和压应力分析生成参数可控的蜂窝状路径轨迹,提出一种轻量化蜂窝3D打印路径的自适应生成技术。通过对蜂窝路径的参数优化设计,建立了基于材料最少的优化模型和自适应压应力轨迹优化模型;基于蜂窝结构在承载下的力学性能分析,实现了对非均布载荷下轻量化蜂窝轨迹的自适应生成。实验分析表明,该方法能生成参数可控的自适应蜂窝路径轨迹结构,并可实现轻量化结构的力学性能优化,为提高局部承载性能轻量化结构的直接打印生成提供了新的思路。     

轴压下复合材料加筋板的损伤抑制带设计

采用ABAQUS有限元软件建立复合材料加筋板模型,分析了轴压载荷下损伤抑制带对损伤扩展的抑制效果以及对承载能力的影响。分析损伤抑制带数量和其沿蒙皮的分布等设计变量对结构剩余强度的影响,并提出损伤抑制带的设计规律。     

典型复合材料加筋壁板优化设计

针对复合材料加筋壁板的稳定性优化问题提出了一种用混合罚函数法、Powell法、黄金分割法、改进的坐标轮换法和遗传算法相结合的混合优化算法.并通过优化程序实现了以加筋板的屈曲载荷最大为目标的优化设计,最后通过算例验证了优化方法的有效性,同时对优化结果进行了深入地分析.得到的结论对加筋板的设计有一定的指导意义.     

核电部件屈曲设计方法的对比分析与案例研究

屈曲是快堆关键部件的重要失效模式,涉及地震载荷下的反应堆主容器、轴压载荷下的泵和换热器支撑筒等部件。为保证反应堆安全可靠地运行,相关部件的屈曲设计至关重要。针对快堆瞬时屈曲和蠕变屈曲失效模式,介绍了ASME规范和RCC-MRx标准中的屈曲设计方法,分析了不同设计方法的差异。最后以轴压载荷下的圆柱壳为例,开展了基于ASME规范和RCC-MRx标准中屈曲设计方法的应用案例研究。     

基于初始缺陷敏感性的轴压薄壁圆柱壳屈曲分析研究进展

屈曲是轴压薄壁圆柱壳结构最主要的失效模式之一。围绕轴压下薄壁圆柱壳结构的承载能力对初始缺陷具有高度敏感性这一问题,系统回顾半个多世纪以来国内外学者在考虑初始缺陷对轴压薄壁圆柱壳屈曲临界载荷影响方面所做的理论、试验以及数值模拟等工作。研究表明,目前已形成了两类等效考虑初始缺陷影响的方法,即：基于数值模拟的确定性分析方法和基于概率统计的不确定性分析方法。其中,前者主要针对初始几何缺陷,而后者则还包括非传统初始缺陷,如材料、厚度及加载缺陷等。两类方法在开展轴压薄壁圆柱壳屈曲载荷预测和设计方面各具特点和优势,相较于试验结果,多点扰动载荷法和单边界扰动法的预测精度最高,两者均能达到90%以上的预测精度且同时具有一定的安全裕度。最后展望未来基于初始缺陷敏感性的轴压薄壁圆柱壳屈曲研究方向和亟待开展的研究工作,为相关研究的开展提供了一定的参考和指导。