飞机结构中纵横加筋对蒙皮屈曲的影响

飞机结构中蒙皮及其加筋结构是构成机身和机翼的重要组成部分,其结构强度对于保证飞机安全性有重要的作用。对蒙皮而言,屈曲是其主要的设计失效模式,因而临界屈曲载荷则是蒙皮结构强度的重要表征。工程中计算蒙皮的临界屈曲载荷时,为了安全,通常把蒙皮作为四边简支(铰支)板来进行计算,而实际结构中纵横加筋给蒙皮提供的边界支持是介于四边简支和四边固支之间的,数值计算(有限元线性分析和非线性分析)的结果与理论计算结果的对比体现出这一点。     

薄壁加筋圆柱壳稳定性分析及优化

为了提高薄壁加筋圆柱壳的屈曲承载力,首先,对受轴压作用下的薄壁加筋圆柱壳进行了稳定性分析,在相同体积以及筋条截面尺寸固定的情况下,进行参数化建模,分析了筋条数目对失稳模态和屈曲承载力的影响;进而,以加筋圆柱壳屈曲承载力最大为目标,以纵向筋数目、蒙皮厚度以及筋条截面尺寸为设计变量,建立了加筋圆柱壳等体积下屈曲承载力最大的优化设计模型,用ANSYS APDL语言建立结构参数化分析流程,实现了结构的自动重分析,并采用遗传算法求解优化模型.结果表明:筋条数目对失稳模态和屈曲承载力有很大影响;筋条数目有一个合适的范围,加筋过少,结构的屈曲承载力低于等体积下不加筋光滑圆柱壳的屈曲承载力;加筋过多,随着筋条数目的增加,结构的屈曲承载力也呈下降趋势;通过求解优化模型,可获得最优的筋条数目及筋条截面尺寸,使圆柱壳的屈曲承载力得到显著提高.     

含有初始挠度的加筋板结构非线性动力屈曲数值分析

基于含有初始挠度的四边简支加筋板模型,数值模拟其受面内冲击荷载作用的动力屈曲行为。提取不同初始挠度幅值、加强筋体积比、加强筋截面宽高比以及分布形式下的动力响应时间历程结果,绘制出基于B-R准则的P-Y曲线,讨论各种参数对加筋板整体结构抗屈曲能力的影响。分析表明:不同的荷载参数,加筋板的动力屈曲行为有显著的不同;加筋板的动力屈曲对初始挠度幅值非常敏感,而加强筋参数对加筋板结构动力屈曲的影响有规律可循。     

热力耦合下不同加筋壁板稳定性分析

针对飞行器不同加筋壁板在不同载荷工况下的结构稳定性问题,采用Abaqus有限元分析软件,建立了长度和宽度相同的4种加筋壁板有限元数值分析模型。通过对加筋壁板的屈曲和后屈曲响应分析,给出不同筋条截面形式和布局方向的加筋板在机械载荷、温度载荷以及热力耦合下的屈曲模态和挠度曲线。结果表明:T型加筋板在机械载荷作用下表现出良好的稳定性,最大承受载荷为281 kN,远大于其他截面形式的加筋板;筋条布局方向对加筋板的承载能力影响很小,但是合理的布局能够大幅减小加筋壁板的面外位移;热力耦合下加筋板没有明显的前屈曲过程,其后屈曲响应与机械载荷作用下时大致相同,但是加筋板的最大承载能力会由于温度载荷的存在而减小8%～15%。     

异形截面轴心受压铝合金构件屈曲性能试验研究

采用试验与数值模拟相结合的方法,研究了异形截面铝合金受压杆件的屈曲破坏模态和屈曲承载力问题,并将试验结果、数值模拟结果以及《铝合金结构设计规范》中相关公式的计算结果进行了对比。结果表明,数值模拟结果与试验结构吻合较好,证明了有限元模型的正确性,并可采用该模型进行异形截面铝合金构件屈曲性能参数分析;规范所研究异形截面铝合金构件没有区分屈曲破坏类型的影响,屈曲承载力的计算结果偏小。     

考虑翼缘约束的工字形截面腹板的弹性屈曲

利用有限元方法（FEM）分析了非均匀受压的单块矩形板的弹性屈曲,总结了非均匀受压简支矩形板屈曲系数的各国规范计算公式;在此基础上,改变有限元模型的边界条件,提出了非均匀受压的非加载边固支矩形板的屈曲系数公式.对考虑翼缘嵌固约束作用的工字形截面腹板,指出了翼缘嵌固作用与传统转动弹簧约束的不同,引入翼缘自由扭转刚度和腹板抗弯刚度比值作为无量纲参数,得到了精度良好的考虑翼缘约束作用的非均匀受压腹板的屈曲系数计算公式.验证了传统的弯曲和剪切应力作用下弹性屈曲的相关公式在翼缘弹性嵌固条件下的腹板屈曲问题中的适用性.     

RL型截面冷弯薄壁型钢的畸变屈曲荷载算式

为了对RL型截面冷弯薄壁型钢的畸变屈曲作进一步研究,以既有研究成果为基础,根据广义梁理论推导了两端简支和固支边界条件下RL型截面冷弯薄壁型钢的畸变屈曲荷载计算式.通过求解矩阵的广义特征值,利用推导的算式计算RL型截面型钢构件在轴压、绕弱轴和强轴弯曲下的畸变屈曲荷载和屈曲半波长,并与有限条软件CUFSM分析结果和既有理论公式的解相比,结果表明所得算式具有较高的精度.公式推导过程和结论可以为工程设计和进一步研究中计算畸变屈曲荷载提供参考.     

纤维增强复合材料层合板的屈曲载荷

本文采用双五次B一样条函数,借助于离散型最小二乘配点的加权残数法,分析了简支、固支等多种边界条件下特殊正交各向异性及对称角铺设复合材料层合板在面内承受轴压及剪切力的屈曲载荷。其中这两种层合板的剪切屈曲载荷是首次算得的。计算表明,用样条函数作为加议残数法的试函数,和一般多项式相比,逼近精度高,收敛性及稳定性好,是一种分析复合材料层合板屈曲载荷的有效数值计算方法。     

具有初始几何偏差的应变强化容器外压屈曲数值模拟

为考察初始几何偏差及加强圈设置对应变强化容器外压屈曲的影响,应用数值模拟方法对容器在应变强化过程中的屈曲模态及失稳临界载荷进行了分析。结果表明:建立的容器非线性分析方法可以较好地对容器的应变强化工艺进行数值模拟;容器的外压稳定性对其初始几何偏差具有较高的敏感性,即使较小的初始几何偏差也将导致容器屈曲载荷的大幅下降,但应变强化处理工艺可改善容器屈曲对其初始几何偏差的敏感性,提高容器的失稳临界载荷;加强圈的设置,能够有效地提高容器的失稳能力,特别是经过强化处理后的容器,加强圈的设置对容器失稳临界载荷的提高效果更为显著。     

防屈曲支撑外伸连接段破坏失效机理及试验研究

防屈曲支撑（buckling-restrained brace，BRB）外伸连接段的稳定控制是保证其正常发挥耗能作用的关键。基于研究者们试验中出现的BRB外伸段破坏形式及特征，分析BRB外伸连接段的失稳破坏过程及破坏失效机理，研究不同失效模式下外伸连接段失稳破坏的影响因素，进而提出改善外伸连接段稳定性能的端部构造形式。基于理论分析推导不同失效模式下相应外围约束单元与外伸连接段控制截面上的轴力与弯矩计算公式，建立不同失效模式下外伸连接段的稳定分析模型，并通过拟静力试验验证所提出端部构造形式的合理性以及稳定分析模型的有效性。研究结果表明：BRB外伸连接段的失稳破坏为约束单元或外伸段控制截面上的压弯作用效应超过其极限承载力而破坏；外伸段的稳定性与支撑端部转角变形的大小密切相关，且BRB耗能单元的高阶多波屈曲变形是引起支撑端部转动变形的直接原因；满足稳定设计准则的条件下，减小外伸段长度及耗能单元与约束单元间间隙值，增加约束过渡段长度可进一步提高和保证外伸段的稳定工作性能；设计制作的符合文中外伸段稳定条件及端部构造形式的3根BRB在试验过程中未出现外伸段的失稳破坏，其外伸段控制截面上的压弯作用效应均处于弹性范围内。研究结论为BRB外伸连接段的稳定设计及相应的稳定控制提供理论参考。     

新型双稳态屈曲梁结构的低频跳跃稳定性分析

为了验证双稳态屈曲梁结构的低频跳跃突变特性以及其能否在较低频率范围内进行能量耗散和吸收,本文基于小驱动大变形的设计目标,本文设计了一种以梁二阶屈曲模态为基础的新型双稳态结构,即在简支屈曲梁上施加可移动铰支约束,并在可移动铰支处施加可调驱动力矩,从而实现屈曲梁在较小外部激励作用下发生稳定的二阶屈曲模态跳变。通过动力学建模,采用最小势能原理得到双稳态屈曲梁发生二阶跳变的最小驱动力矩,并给出了移动铰支变化时,屈曲梁双稳态形式的变化特点及相应的跳变能量。通过仿真分析了双稳态屈曲梁的固有频率及跳跃模式,验证了理论分析结果。基于理论与仿真分析结果,设计了双稳态屈曲梁跳跃机构。通过实验验证了所设计双稳态屈曲梁结构在低频外激励作用下能发生二阶模态的跳变,为低频振动下进行能量吸收和耗散结构的设计提供了新思路。     

复合材料加筋板极限承载能力分析

加筋板在出现屈曲之后并未完全失效,仍然具有较高的承载能力。本研究利用ABAQUS软件建立由shell-solid单元组合的复合材料加筋板极限承载能力分析模型。复合材料层合板和界面材料的破坏通过子程序判断,子程序中编写了Hashin和Quads失效判据,并引入材料刚度退化准则。通过有限元模拟方法分析复合材料加筋板在轴向压缩载荷下的极限承载能力,并详细给出3种失效模式的破坏过程,仿真结果与试验结果相比误差较小,说明所建立模型及USDFLD程序是正确的。     

外压作用下深海腐蚀缺陷管道的屈曲失稳机理

为了研究外压作用下深海腐蚀缺陷管道的屈曲失稳机理,通过深海压力舱小比例模型试验,测得钢管试件发生屈曲失稳时的压力和变形形态. 利用有限元软件ABAQUS建立管道的三维数值模型,模拟外压作用下完好无损管道和腐蚀缺陷管道的准静态屈曲失稳过程,得到钢管的压力-直径变化曲线和变形形态,与试验结果吻合良好. 采用建立的数值模拟方法,分析管道长度、径厚比、初始椭圆率、钢材等级、钢材应变硬化特性和缺陷几何尺寸等因素对腐蚀缺陷管道屈曲失稳的影响. 结果表明,初始椭圆率、缺陷几何尺寸、钢材应变硬化特性是深海腐蚀缺陷管道标准化后失稳压力的主要影响因素,管道长度、径厚比、钢材等级对标准化后失稳压力的影响相对较小.     

一字形芯钢管混凝土防屈曲支撑分析研究

利用有限元分析软件ANSYS对普通支撑和一字形钢管混凝土防屈曲支撑进行模态分析,通过对比两种支撑的模态云图和振型参数来研究加约束的一字型芯钢混防屈曲支撑的优劣势和临界荷载变化及其失稳的位置。分析一字形钢管混凝土防屈曲支撑的滞回耗能,防屈曲支撑的摩擦系数和填充混凝土的强度因素。得到以下结论:一字形芯更容易出现y轴方向的弯曲失稳,框架结构的刚度以及自振周期能够通过安装一字形钢混屈曲支撑而发生明显改变。     

高静水压力作用下深海油气管道的局部屈曲

以有初始缺陷的厚壁钢管为研究对象,开展外部高静水压力作用下管道结构的模型试验和有限元数值模拟分析. 通过在压力缸内泵入水的方式对钢管试件施加均匀外部压力,测得钢管发生局部屈曲时的压力峰值. 基于ABAQUS软件,数值模拟分析试验钢管在静水压力作用下的屈曲和后屈曲行为,得到钢管的失稳压力和屈曲后的形态,与试验结果相比吻合较好. 利用建立的数值模拟方法,分析不同材料性能、径厚比和初始椭圆率对钢质管道屈曲的影响. 结果表明：材料硬化系数较大的管道,失稳压力较大;随着初始椭圆率的增加,管道的失稳压力显著减小;对于深水或超深水油气管道的屈曲失稳压力,国外规范的计算公式偏保守,而且不能解释不同材料硬化系数的影响.     

环向加筋碎石桩复合地基路堤稳定性分析

环向加筋碎石桩复合地基在加固软基工程中得到了广泛应用,在加固路基工程中,路堤边坡稳定性计算对工程设计具有重要意义。文中通过对采用环向加筋碎石桩加固路堤时边坡失稳破坏模式进行三维有限元分析,揭示了路堤失稳时环向加筋碎石桩的破坏模式和路堤失稳模式,研究了地基土强度对路堤边坡的安全系数的影响。在此基础之上,对比分析了采用瑞典条分法、毕肖普条分法和规范圆弧条分法计算环向加筋碎石桩复合地基路堤边坡稳定性的适用性。研究表明:文中建立的数值模型能够较好地反映环向加筋碎石桩复合地基路堤稳定性;路堤失稳时环向加筋约束碎石桩发生受弯破坏;由于没有考虑环向加筋碎石桩的约束作用,瑞典条分法、毕肖普条分法和规范圆弧条分法的计算结果均较为保守,但毕肖普法计算结果最为接近数值计算结果。     

高强螺旋筋约束普通混凝土柱轴压性能试验

为研究高强螺旋筋约束普通混凝土柱的轴压性能,以螺旋筋强度和螺旋筋配箍率为变化参数,制作了5个试件并进行了轴心受压试验。通过试验观测试件破坏全过程和最终失效模式,获取荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,并对变化参数对约束混凝土力学性能指标的影响规律进行分析。试验结果表明：螺旋筋能提供较强约束作用,使得混凝土由脆性破坏转变为延性破坏;提高螺旋筋的配箍率能小幅提高螺旋筋的约束作用,当螺旋筋配箍率从1.89%提高到3.02%时,轴压承载力提高幅度为18%～38%,核心约束混凝土强度与非约束混凝土强度之比为1.8～3.8;提高螺旋筋强度能显著提高螺旋筋的约束作用,当螺旋筋强度从432 MPa提高到1 774 MPa时,核心约束混凝土强度与非约束混凝土强度之比从1.9提高到3.3,峰值位移增大约2.7倍。     

钢箱梁局部稳定计算与横隔板受力研究

针对截面形式和构造复杂的正交异性钢箱梁，采用数值仿真与模型试验的方法，对钢箱梁的局部稳定与横隔板受力开展分析与研究。研究结果表明：在100 MPa轴压荷载作用下，主梁梁段处于弹性阶段，横隔板基本处于受拉状态，试验与数值计算结果吻合良好；在进行第一类稳定线性分析时，横隔板在横桥向拉应力作用下发生屈曲失稳，第1阶屈曲系数为-1.202，第380阶为-5.1；模型试验失稳破坏时的轴向荷载为2 160 t，此时除横隔板外大部分板件已进入塑性状态，属材料强度破坏，表明钢箱梁设计合理，节段稳定性能良好。研究结果可以给薄壁钢箱梁的设计与施工提供参考。     

带约束拉杆L形方钢管混凝土组合柱轴压性能

为了研究带约束拉杆L形方钢管混凝土组合长柱的轴压性能,采用有限元软件ANSYS数值模拟和试验对比方法分析了带约束拉杆L形组合长柱的轴压性能,通过分析带约束拉杆L形组合长柱整体构件的屈曲模态、变形图以及各个部件的应力云图,验证了构件具有较高的受压承载力.结果表明,在钢管内部添加约束拉杆增强了钢管对混凝土的约束效应,提高了混凝土的轴心抗压强度与构件的整体承载力,为构件的工程应用提供了依据.     

基于筋材断裂的加筋膨胀土强度特性分析

基于三轴剪切试验对加筋膨胀土的强度特性进行研究,得出加筋土与对应素土的强度指标关系,分析了加筋土强度的提高宏观表现;结合不同层数加筋土体的应力应变关系及加筋土等效围压分析原理,分析了基于筋材断裂的加筋膨胀土的强度特性,得出不同加筋层数筋材刚断裂时应力莫尔圆应相切于同一条直线,随着轴向压力的增加,多层加筋膨胀土试验筋材逐层断裂,应力莫尔圆向外扩展,表明多层加筋膨胀土的强度逐渐增大,而且试验表明对于柔性筋材,多层加筋土体的强度包络线基本平行,加筋土体强度的增加,只是粘聚力c的增加引起的。