方板弹性突跳的数值模拟──第一部分:理论和计算方案

在非线性有限元通用程序中，对叉型分岔问题，本文提出一个搜索分枝方向的方法，该方法不需计算切线刚度矩阵的导数，就能确定所有分枝方向。根据Ｌａｇｒａｎｇｅ－Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ定理判别各平衡状态的稳定性。对四边夹支边界条件下、受面内压力作用的方板在后屈曲过程中的力学行为进行了大范围数值追踪，对各种平衡状态的稳定性进行了判别，其中稳定的平衡解可以模拟方板弹性突跳的整个过程，包括加载过程中的弹性突跳和卸载过程中的弹性突跳。计算结果和前人的实验结果进行了比较。本文第一部分讨论计算方法，给出计算方案；第二部分为方板在后屈曲过程中弹性突跳的计算结果。     

“圆板─扁圆锥壳─圆环板”组合结构的弹性突跳分析

本文按非线性大挠度弹性屈曲理论对广泛应用于工程中的“圆板─扁圆锥壳─圆环板”组合结构的弹性突跳现象进行了分析，并对典型算例用积分法与MWR－CM的伽辽金法相结合的方法进行了数值计算，结果表明了几何参数对弹性突跳的影响。本文工作可为工程应用设计提供一定的依据。     

“圆板─扁圆锥壳─圆环板”组合结构的弹性突跳分析

本文按非线性大挠度弹性屈曲理论对广泛应用于工程中的“圆板─扁圆锥壳─圆环板”组合结构的弹性突跳现象进行了分析，并对典型算例用积分法与MWR－CM的伽辽金法相结合的方法进行了数值计算，结果表明了几何参数对弹性突跳的影响。本文工作可为工程应用设计提供一定的依据。     

AD95陶瓷的高压声速研究

采用VISAR技术连续测量样品-窗口界面粒子速率剖面方法,对AD95陶瓷在卸载过程中的高压声速和卸载路径进行了研究。结果表明,加载应力为25.86～57.42GPa时,AD95陶瓷卸载过程中的高压声速降低过程与延性金属材料具有明显区别:卸载过程受加载过程中的双波结构影响,明显分成弹性前驱波卸载和冲击波卸载两个阶段,但第一阶段所占的比例随加载应力的增加逐渐减小;第二阶段中不存在明显的弹性卸载和塑性卸载的拐点。研究结果将为陶瓷材料动态响应和压缩损伤研究奠定基础。     

工程力学2002年总目录

第一期目录 基于一阶剪切变形理论的新型复合材料层合板单元............................岑 松，龙驭球，姚振汉 (001) 单层球面网壳跳跃失稳的运动特性..........................................夏开全，姚卫星，董石麟 (009) 基于几何非线性不协调元变分原理的圆柱壳非线性初始稳定性分析......................张少焱，陈万吉 (014) 方板弹性突跳的数值模拟棗第二部分：计算结果与实验结果的比较..............金 明，黄克服，武际可 (019) 无网格法模拟复合型疲劳裂纹的扩展........................................袁 振，李子…     

考虑热应力、热变形正交各向异性板的动特性及响应规律

该文开展了热环境下正交各向异性板固有特性和激励响应的研究,通过实验测试与数值计算,分析了其固有频率随温度的变化规律、模态交换或突跳现象、以及激励作用下响应受温度的影响。结果表明：温度引起的热应力与热变形会改变板的动态特性,但两者在热屈曲前后对板刚度的影响机制不同,导致固有频率随温度先降低后上升,且它们的微小变化会导致正交各向异性板的模态交换或突跳现象;激励作用下整体响应曲线随温度升高向低频漂移。     

形状记忆合金梁在简谐和白噪声联合激励下的混沌及安全盆侵蚀现象

本文利用van-der-pol环模型模拟了形状记忆合金在加载和卸载过程中的应力应变迟滞环特性,根据弹性理论和Galerkin方法建立了形状记忆合金简支梁在受轴向简谐激励和横向白噪声激励时的振动模型。根据随机系统的Melnikov过程方法,得到了系统发生随机混沌的阈值必要条件。用数值方法得到初值对系统安全性的影响,及激励参数对系统安全盆边界的侵蚀现象。观察结果发现,随机激励幅值的增大会增强安全盆的内部出现分形特性。     

外伸悬挑组合式锅炉大板梁的静力试验及有限元模拟分析

为揭示外伸悬挑组合式锅炉大板梁的受力机理和破坏模式,并验证某工程大板梁的设计可靠性,通过对外伸悬挑组合式大板梁缩尺模型的静力试验和考虑各种非线性的ABAQUS有限元数值模拟分析,研究了大板梁简支段和悬挑段在各加载阶段的承载力、局部应力、整体变形和局部屈曲等关键响应,对试验中的破坏现象给出了合理解释,并重点研究了悬挑段与简支段拼接端板与拼接螺栓的受力和变形特点。试验与模拟结果均表明大板梁在设计荷载作用下处于线弹性阶段,并具有足够的安全储备;支座附近腹板局部屈曲和悬挑段端板拼接螺栓断裂是大板梁的主要破坏模式,决定了梁的整体承载力;按拼接螺栓群的受力模式,悬挑梁端的弯矩和剪力分别由翼缘附近螺栓的抗拉连接和腹板附近螺栓的摩擦连接来承担。各阶段试验现象和数值模拟结果吻合较好,也验证了数值模拟方法的可靠性。     

钢板剪力墙加劲肋刚度及弹性临界应力研究

我国现行加劲钢板剪力墙整体屈曲临界应力计算公式来自密肋加劲板,但实际工程中采用的钢板剪力墙多采用1条或2条横向加劲肋。对1600多个加劲钢板剪力墙模型进行了三维有限元弹性屈曲分析,深入研究了仅设置竖向加劲肋、竖向和1条横向加劲以及竖向和2条横向加劲肋钢板的加劲肋门槛刚度要求。并提出了加劲钢板剪力墙弹性剪切临界应力计算公式。与数值模拟结果的比较表明,新公式具有良好的精度,并且公式结果均在安全一侧,有望在工程中得到应用。     

高阶剪切变形板理论下FG-GRC板的屈曲和弯曲分析

基于三阶剪切变形板理论(TSDPT)和正弦剪切变形板理论(SSDPT),研究了功能梯度石墨烯增强复合材料(FG-GRC)板的屈曲和弯曲行为,并通过与一阶剪切变形板理论(FSDPT)计算结果的比较,分析了TSDPT、SSDPT与FSDPT在FG-GRC板屈曲和弯曲力学行为研究过程中的差异。材料的有效杨氏模量通过修正的Halpin-Tsai微观力学模型估算,有效泊松比通过混合律确定。利用最小势能原理推导出了包含五个未知量的控制方程,并获得了简支FG-GRC矩形板弯曲挠度和临界屈曲载荷Navier形式的解析解。数值结果表明：与TSDPT和SSDPT相比,FSDPT明显高估了FG-X型FG-GRC板的临界屈曲载荷而明显低估了其弯曲挠度,且略微低估了FG-O型FG-GRC板的临界屈曲载荷而略微高估了其弯曲挠度,而UD型和FG-A型FG-GRC板在三种理论下的计算结果几乎完全一致;TSDPT和SSDPT在计算FG-GRC板的弯曲挠度和临界屈曲载荷时结果十分相近;当板的总层数NL小于10层～15层时,弯曲载荷比率和临界屈曲载荷比率的变化非常显著,当总层数NL超过10层～15层时,弯曲载荷比率和临界屈...     

带约束拉杆方形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能

假定方形钢管混凝土构件的钢管板件在非载荷边受到弹性约束,应用能量法对钢管局部屈曲强度计算公式进行了推导;并利用已有试验结果对计算公式的正确性进行了验证。在此基础上利用该公式对约束拉杆方形钢管混凝土构件在轴压下的屈曲性能进行分析,分析表明约束拉杆能有效提高构件钢管屈曲系数,从而提高钢管壁抵抗局部屈曲的能力。最后,给出了约束拉杆纵向间距的合理设置值以及带约束拉杆方形钢管混凝土轴压构件的钢管宽厚比限值。     

Nonlinear behavior of functionally graded circular plates with various boundary supports under asymmetric thermo-mechanical loading

The equilibrium equations of the first-order nonlinear von Karman theory for FG circular plates under asymmetric transverse loading and heat conduction through the plate thickness are reformulated into those describing the interior and edge-zone problems of the plate. A two parameter perturbation technique, in conjunction with Fourier series method is used to obtain analytical solutions for nonlinear behavior of functionally graded circular plates with various clamped and simply-supported boundary conditions. The material properties are graded through the plate thickness according to a power-law distribution of the volume fraction of the constituents. The results are verified with known results in the literature. The load–deflection curves for different loadings, boundary conditions, and material constant in a solid circular plate are studied and discussed. It is shown that the behavior of FG plates with clamped or simply-supported boundary conditions are completely different. Under thermo-mechanical loading, snap-through buckling behavior is observed in simply-supported FG plates which are immovable in radial direction. Moreover, it is found that linear theory is inadequate for analyzing FG and also homogenous plates with immovable boundary supports in radial direction and subjected to thermal loading, even for deflections that are normally considered small.     

Impact damage with compressive preload and post-impact compression of carbon composite plates

This paper examines the effect on laminated composites of in-plane compression followed by impact damage, and the coupling between the two, on compression-after-impact (CAI) performance. It is found that preload can actually raise the CAI strength if the load approaches the initial buckling value, since the plate loses stiffness and the impact-induced force is reduced and so is the consequent damage. However, as the preload approaches the CAI strength the induced delamination can propagate catastrophically during the impact, but at a preload value below the CAI strength. The coupling between impact and preload is simulated using the equations of motion, and the same dynamic solver is then used to capture the snap-through when a plate is loaded beyond its initial buckling load. A special ‘dynamic relaxation’ routine is shown to be robust and reliable when handling these ‘snap-through’ problems which can be formidable challenges to conventional static incremental loading.     

单层球面网壳跳跃失稳的运动特性

本文从运动学的角度,基于非线性运动平衡方程,对单层球面网壳结构发生跳跃失稳时的运动特性进行了研究。在结构达到临界失稳状态的前后分别采用基于静力的几何非线性分析方法和基于动力响应的几何非线性分析方法,描述结构的实际行为特性。对网壳结构失稳时的加速度、速度与位移等结构响应的研究,揭示了失稳的运动本质,为结构稳定性分析、失稳机制和结构失稳的传播特性的研究提供了另一条途径。     

Numerical simulation on bucking distortion of aluminum alloy thin-plate weldment

In this paper, the welding residual distortion of aluminum alloy thin plates is predicted using the elasticity-plasticity finite element method (FEM). The factors contributing to the welding buckling distortion of thin plates are studied by investigating the formation and evolution process of welding stresses. Results of experiments and numerical simulations show that the buckling appearance of thin-plate aluminum alloy weldments is asymmetrical in the welding length direction, and the maximum longitudinal deflection appears at the position a certain distance from the middle point of the side edge towards the arc-starting end. The angular deformation direction of thin-plate weldments is not fixed, and such case as the angular deformation value of the arc-starting end being higher than that of the arc-blowout end exists.     

爆炸载荷作用下双向加筋方板的大挠度塑性动力响应

从分别列出加筋板面板以及加强筋的运动方程出发,分析了爆炸载荷作用下双向加筋固支方板的大挠度塑性动力响应。分析表明:取决于加强筋的相对刚度以及爆炸载荷峰值的大小,加筋板的运动将呈现3种不同的模式。该文限于讨论加筋板的总体变形模式,具体讨论了十字加筋以及双十字加筋固支方板在忽略弯矩影响下的薄膜解法。理论结果与已有的试验结果在多数情况下符合良好,表明该文提出的简化理论分析方法能对爆炸载荷下双向加筋方板的永久变形做出较为合理的预报。     

复合材料加筋结构后屈曲的自开发程序

针对复合材料层合加筋结构的后屈曲问题,开发出自编Fortran程序,并嵌入Patran进行前后处理。采用该程序计算出线性屈曲模态,将其作为后屈曲非线性计算的初始挠度;采用增量迭代技术、弧长控制及能量收敛准则求解非线性方程;最后引入复合材料Tsai-Hill失效准则,对单元的损伤进行判断及刚度折减。采用复合材料加筋板的压缩试验对该系统进行初步验证。针对不同加载方式、选材及结构型式的机翼盒段,利用该系统进行后屈曲计算和分析,数值结果与试验数据吻合较好。     

Buckling analysis of rectangular composite plates with rectangular cutout subjected to linearly varying in-plane loading using fem

A numerical study is carried out using finite element method, to examine the effects of square and rectangular cutout on the buckling behavior of a sixteen ply quasi-isotropic graphite/epoxy symmetrically laminated rectangular composite plate [0°/+45°/-45°/90°]_2s, subjected to various linearly varying in-plane compressive loads. Further, this paper addresses the effects of size of square/rectangular cutout, orientation of square/rectangular cutout, plate aspect ratio(a/b), plate length/thickness ratio(a/t), boundary conditions on the buckling bahaviour of symmetrically laminated rectangular composite plates subjected to various linearly varying in-plane compressive loading. It is observed that the various linearly varying in-plane loads and boundary conditions have a substantial influence on buckling strength of rectangular composite plate with square/rectangular cutout.     

飞机典型薄壁复合材料夹层结构整体屈曲

为了研究飞机机身无筋无框复合材料典型薄壁夹层结构在型号上应用的可行性,本文采用解析方法、有限元方法和试验方法对蜂窝夹层复合材料结构的面内压缩和剪切整体屈曲开展系统研究。基于经典层合板理论和工程解析方法推导蜂窝夹层复合材料的压缩和剪切屈曲载荷随试验件尺寸的变化规律。依据某型飞机机身典型结构分别设计压缩和剪切试验件尺寸大小、边界条件和加载方式。利用有限元商用软件ABAQUS对试验设计建立虚拟试验分析,对比验证解析方法和有限元方法的一致性。最后通过真实试验方法确定解析方法和有限元方法的有效性,并验证典型薄壁夹层结构的承载能力和破坏模式。结果显示,压缩试验结果失效模式与理论预测一致,故3种方法得到的结构整体失稳载荷相近,验证了理论方法的有效性;剪切试验结果发生局部破坏,故试验结果偏低,但有限元方法与解析方法所得结果一致,解析方法相对保守。