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...     

航空复合材料加筋板剪切稳定性及后屈曲承载性能

开展了复合材料加筋板剪切稳定性试验,研究了加筋板在承剪状态下的屈曲载荷、屈曲模态、后屈曲承载性能及破坏模式。试验结果表明,加筋板在剪切屈曲载荷下形成的屈曲波长轴线与加强件轴线夹角约45°,当屈曲比达到1.2时,存在二次屈曲行为,最终破坏载荷约为屈曲载荷的1.28倍;加筋板在二次屈曲失稳前,加强件几乎保持直线,起"屈曲分隔"的作用。结合试验现象,进行了加筋板剪切屈曲及后屈曲性能理论分析,得出的理论屈曲载荷与试验屈曲载荷的相对误差为7.2%,后屈曲阶段的理论载荷-应变曲线与试验结果的相对误差在10%以内,并确定了后屈曲角随屈曲比的变化规律。     

变刚度复合材料平板与开孔板屈曲性能试验验证与数值仿真

为验证基于丝束曲线铺放的变刚度设计在改善典型航空结构屈曲性能中的应用潜力,设计并制造了变刚度复合材料平板和开孔板试件。通过应变片和非接触式三维光学测量系统,全面地测量了试件受单轴压缩载荷过程中的面外位移和载荷方向应变。试验结果表明：变刚度平板和开孔板较同构型直线铺层试件屈曲载荷分别提升53.4%和46.6%;试件力学响应相似,均为线性加载至屈曲载荷后刚度大幅折减,变刚度试件后屈曲阶段呈近似线性,而直线铺层试件则连续变化。根据试验方案细化了数值模型,屈曲载荷、面外位移及应变的计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上,提取了数值模型中的刚度分布和加载截面载荷分布,阐明了变刚度设计的抗屈曲机制。对于本文试件,采用变刚度设计还可显著提高破坏载荷,并降低侧边载荷,缓解应力集中。     

三边简支一边固支矩形薄板动力屈曲解析解

根据板的动力平衡方程和压缩波前附加约束方程,基于双特征参数法和应力波理论,求解了三边简支一边固支矩形薄板在面内轴向冲击载荷作用下动力屈曲位移的解析解。揭示了矩形薄板动力屈曲过程中板的厚宽比、屈曲模态、冲击载荷大小和临界屈曲长度之间的关系。计算结果表明,由于横向惯性效应的存在,动力屈曲的临界载荷要比静力屈曲的大得多。     

压电元件驱动的功能梯度弹性薄板的屈曲

考虑功能梯度薄板,其上下表面嵌有压电执行元件.根据逆压电效应将电压转换成作用于板上的等效电载荷.假设梯度材料的弹性参数为板厚度方向坐标的幂函数,基于经典板理论,导出了功能梯度弹性薄板小挠度屈曲平衡微分方程.利用双三角级数展开法,得到了四边简支具有压电元件的功能梯度矩形板的临界屈曲载荷,在此基础上通过数值例子讨论了弹性板的几何尺寸、材料梯度指数的变化对临界电压(载荷)的影响.研究结果表明,材料的梯度指数对临界电压有重要影响,并且通过调整作用于执行元件上的电压的大小和方向,可实现对结构稳定性的有效控制.     

计算开孔薄板临界载荷的边界元方法

本文基于开孔薄板非线性分析的一般数学理论,建立了在已知中面边界外力作用下计算开孔薄板临界载荷的边界积分方程和边界元方法。作为算例,给出了环形板在中面均匀径向压力和剪切力作用下的临界载荷。     

剪切夹具设计及铝合金循环剪切变形行为

目的 研究金属薄板在剪切变形条件下的随动硬化行为。方法 设计一款金属薄板循环剪切变形试验夹具,对夹具的强度进行数值仿真校核。采用该夹具进行5052铝合金板的循环剪切试验,通过数字图像相关测量系统对剪切应变进行跟踪测量,对变形区剪切变形的均匀性进行分析,对5052铝合金的循环剪切应力应变曲线所表现出的包辛格效应进行讨论。结果 该夹具满足强度要求,剪切变形区的剪切应变与等效应变比值非常稳定,5052铝合金板的正向剪切强度与反向剪切强度不同,在3.97%和7.1%剪切应变时,包辛格效应系数分别为0.328和0.51。结论 所设计的夹具可以有效实现剪切变形,剪切应变分布均匀;试验所用的5052铝合金具有显著的包辛格效应。     

弹性压应力波作用下矩形薄板动力屈曲解析解

根据板的非线性动力平衡方程和压缩波前附加约束方程,基于双特征参数法和应力波理论,求解了矩形薄板在面内轴向冲击载荷作用下动力屈曲位移的解析解。揭示了矩形薄板动力屈曲过程中板的厚宽比、屈曲模态、冲击载荷大小和临界屈曲长度之间的关系。求得的屈曲模态与之前文献中用差分解得出的结果吻合良好。     

弹性地基上加热弹性圆板的热过屈曲及临界屈曲模态跃迁

基于von Kármán薄板理论建立了Winkler弹性基础上弹性圆板在均匀升温下的轴对称热过屈曲控制方程。这是一组以中面位移为基本未知量的非线性常微分方程,其中包含了温度载荷和弹性地基刚度两个参数。采用打靶法数值求解相应的非线性两点边值问题,获得了周边不可移简支圆板的热屈曲及热过屈曲响应。绘出了前三阶屈曲模态对应的临界温度载荷随地基参数连续变化的特性曲线,获得了反映临界热屈曲模态跃迁特性的地基参数值。给出了弹性圆板按一阶模态失稳后的热过屈曲平衡路径和平衡构形,分析了地基刚度参数对临界屈曲温度载荷以及过屈曲平衡构形的影响。     

碳纳米管增强型功能梯度板的屈曲预测

基于一种新的修正偶应力理论,建立了碳纳米管（CNTs）增强型功能梯度板（CNTs/FGP）的屈曲模型。基于最小势能原理和一阶剪切变形理论,推导了该种板模型的平衡微分方程和相应的边界条件,并以四边简支方板的屈曲问题为例,讨论了材料尺度参数、CNTs的体积分数及4种不同CNTs分布形式对CNTs/FGP临界屈曲载荷的影响。结果表明：采用本文模型预测的CNTs/FGP的临界屈曲载荷总是大于传统宏观理论的预测结果,两种理论结果间的差距随着板几何尺寸的减小而逐渐增大;CNTs体积分数的少量增加,即可使板的临界屈曲载荷有明显的提升;CNTs的不同分布形式对临界屈曲载荷有显著的影响,在工程设计中应予以关注。     

夹层结构纸板压缩剪切夹具的改进及其验证

针对国家标准压缩剪切夹具测试夹多种层结构材料的剪切性能时,需要多个夹具,且夹具制作成本高的不足,对其进行了改进:将与试样粘合的加载板改为组合式结构,这样可以制作多组样品粘合板,测试时只需要组装即可,大大降低了夹具制作成本,提高了试验效率,而且样品准备制作更加方便。 通过试验对改进的组合压缩剪切夹具与标准夹具进行了对比验证,结果表明组合夹具与标准夹具相比所得数据稍有差别,但压缩剪切载荷最大值差别在依10% 以内,提高了夹具的制作精度后,组合夹具完全可以代替标准夹具。     

矩形薄板在随从力作用下的动力稳定性分析

本文用Levy法和有限差分法相结合,研究了两对边简支、另两对边为三种典型支承任意组合的六种弹性矩形薄板在切向均布随从力作用下的动力稳定性问题.通过数值计算,给出各种支承板的失稳形式及相应的临界载荷,并分析了泊松比、板的边长比对板的失稳形式及临界载荷的影响.     

金属圆管增强夹芯柱屈曲分析

金属圆管增强复合材料夹芯结构是一种新型的轻质多功能结构。考虑了横向剪切变形对临界载荷的影响,以实验方法测量出夹芯柱的横向剪切刚度,计算出临界屈曲载荷的理论值,并从实验上加以验证。利用有限元分析软件ABAQUS,模拟了夹芯柱宏观屈曲的形式,并与理论值和实验值进行了对比,结果吻合较好。采用数值模拟方法,研究了临界屈曲载荷与金属圆管排布方式之间关系。结果表明:金属圆管增强夹芯柱宏观屈曲主要以横向剪切屈曲为主;临界载荷值随着圆管在长度方向上的间距变小而增大;在圆管总重量和高度不变的情况下,临界载荷随着圆管半径和间距的变小而增大。研究结果对于在轴向压缩载荷下的金属圆管增强夹芯柱设计具有重要的指导意义。     

正交各向异性板剪切屈曲载荷的近似表达式研究

利用Rayleigh-Ritz法和通用有限元程序ANSYS分析了纵向边被转动弹簧或扭转加劲肋约束的正交各向异性长板的临界屈曲问题, 引入无量纲正交各向异性参数、约束系数和临界屈曲系数, 利用曲线拟合技术, 得到了这两类约束板在均匀剪力作用下的临界屈曲载荷近似解公式;利用临界纵横比, 把求得的针对转动弹簧约束的临界屈曲解应用到扭转加劲肋约束板的临界屈曲解中, 同样得到了扭转加劲肋约束板的临界屈曲载荷。将求得的近似表达式与有限元ANSYS数值解以及文献中的结果进行对比, 结果吻合良好。     

大型复合材料夹芯筒屈曲分析中芯材剪切变形与壳体锥度的影响

针对某卫星结构中的大型复合材料夹芯承力筒进行屈曲分析。首先分别建立柱壳段、锥壳段和框段的几何方程、物理方程与应变能表达式,以及给定载荷条件下的外力势能表达式。然后根据位移边界条件采用正交完备的三角级数构造承力筒的位移模态,最后根据最小势能原理求解临界载荷。通过对比计及与不计及芯材剪切变形和壳体锥度时临界载荷的计算结果,发现对于该承力筒而言,芯材剪切变形与壳体锥度对临界载荷计算结果的影响均小于10%。该分析结果为承力筒在设计阶段的简化计算提供了理论依据。     

国产F-12芳纶织物面内剪切性能

对国产F-12芳纶织物的剪切性能进行了研究,通过像框剪切试验和偏轴拉伸试验对其进行了测试,设计了相应的像框剪切夹具,利用数字图像相关方法（DIC）采集织物加载过程的变形场,获得了剪切载荷-剪切角度的变化曲线和剪切锁紧角,通过正则化处理对两种测试结果进行了对比分析;利用数值方法对织物剪切性能进行了计算,建立了一种非正交各向异性的杆-壳模型用于模拟织物剪切变形,编制了VUMAT子程序用于计算纱线方向的改变和应力更新,通过与试验结果的对比验证了计算模型的准确性。结果表明：织物的剪切行为具有明显的非线性特征,试样夹持部分的结构形式会对试验结果产生影响,未抽丝试样的剪切载荷明显大于抽丝试样的剪切载荷,二者的剪切锁紧角近似相等;正则化处理后,相框剪切的剪切载荷大于偏轴拉伸的剪切载荷,而锁紧角小于偏轴拉伸的锁紧角;试验结果与仿真结果对比,仿真结果与试验结果吻合较好。     

数字图像相关技术在复合材料加筋曲板压缩试验中的应用

对复合材料自动铺丝和手工铺丝两种T型加筋曲板进行了单轴压缩试验，采用基于数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)的三维光学测量方法对该型加筋曲板的局部屈曲及后屈曲波形进行实时监测，并与传统应变、位移测量结果进行了对比分析。试验结果表明:DIC能够准确捕捉整个试验过程中的位移场，使用DIC设备观测到的屈曲模态与应变片数据反映的波形具有良好的一致性；不同于传统测量方法，DIC能够准确捕捉蒙皮在后屈曲阶段的屈曲模态转换的全过程；利用DIC技术能够对试验不同时间节点(即不同载荷水平)的屈曲模态进行清晰、直观的观测，因而能够较准确地获得结构的屈曲载荷，该载荷与由应变-载荷曲线确定的屈曲载荷相比，误差小于5%。采用ABAQUS有限元软件对试验过程进行了数值仿真分析，并通过与试验结果的对比表明了计算结果、DIC测量结果与传统方法测量结果三者具有良好的一致性。      

弹性支承上边界转动约束矩形板屈曲分析

随着工程结构的轻型化、薄壁化,薄板结构稳定问题越来越受到重视,针对不同条件下薄板屈曲问题开展了大量研究。弹性支承上的薄板屈曲、边界弹性转动约束的薄板屈曲和刚性支承上边界转动约束的薄板屈曲问题已有相关文献,关于非加载边弹性转动约束、弹性支承上薄板屈曲问题的研究尚不充分。该文研究了非加载边弹性转动约束、均匀受压弹性支承矩形薄板弹性屈曲问题。由Ritz能量变分法得到了临界载荷计算公式,应用有限元分析证实了理论解的适用性。得到了屈曲半波数与板的纵横比、边界转动约束系数及支承刚度之间的关系式,支承刚度增加使屈曲半波数和屈曲系数增大。     

缝纫泡沫夹芯复合材料板的稳定性分析

整体屈曲是缝纫复合材料夹芯板的一种重要失效模式。考虑到缝纫夹芯复合材料板一般较厚且面板与芯层厚度相差较大, 缝纫工艺对夹芯板刚度影响较大的特点, 基于高阶剪切理论, 编制了缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性分析的有限元程序。利用该程序对多个算例进行了计算, 所得临界屈曲应力与文献及试验结果吻合很好。同时, 讨论了不同边界条件下缝纫泡沫夹芯复合材料板稳定性随缝纫参数(包括针距、 行距和缝纫针半径)以及结构参数(包括面板铺层角、 芯层厚度和缝纫夹芯板边长)的变化规律。      

弹性地基上受压矩形纳米板的自由振动与屈曲特性

基于Eringen非局部弹性理论和经典薄板理论,利用Hamilton原理推导Winkler-Pasternak弹性地基上面内受压正交各向异性矩形纳米板自由振动的控制微分方程并进行无量纲化。采用一种半解析方法—微分变换法(DTM)将无量纲控制微分方程及边界条件变换为等价的代数方程,得到含有无量纲固有频率和屈曲载荷的特征方程。数值给出了不同边界条件下无量纲地基刚度系数、压力强度、载荷参数、长宽比和纳米尺度对正交各向异性矩形纳米板无量纲固有频率的影响以及不同无量纲地基刚度系数、载荷参数和纳米尺度下的屈曲临界载荷值。结果表明:正交各向异性矩形纳米板的无量纲固有频率随无量纲地基刚度系数、载荷参数和长宽比的增大而增大,随纳米尺度的增大而趋向减小;屈曲临界载荷也随无量纲地基刚度系数的增大而增大,随纳米尺度的增大而减小。