基于板理论的层级褶皱结构失效模式分析

本文基于弹性板理论和夹层板理论对二级层级褶皱结构失效模式进行了分析。通过对基本构件进行受力分析得到了载荷与结构变形之间的关系。根据6种失效模式的定义,从极限载荷或极限应力角度出发,分析了在压缩载荷和剪切载荷工况下的各种失效模式,给出了结构单胞对应的等效正应力和等效切应力表达式。由最小失效强度得到了各失效模式之间的占优关系,并构建了失效机理图来阐释这一机制。最后通过与有限元分析结果比较,分析了本文公式的精度,与数值解吻合较好。     

类桁架夹层板的等效弹性常数研究

从应变能等效出发,将具有周期性分布的夹层板的类桁架夹芯与各向异性连续材料等效,给出了相应的宏观等效弹性常数,进而用有限元方法计算了实际夹层板和等效夹层板的结构响应,用一个算例证明了该文方法的有效性.通过对类桁架夹芯的等效弹性常数的计算,结果表明该文方法可以得到较为准确的等效弹性常数,且较其它类型的均匀化方法大大降低了计算量.     

内桁架-聚氨酯泡沫塑料夹层板简化力学模型

通过横向刚度等效的原则，将内桁架一聚氨酯泡沫塑料夹层板转变成半连续化模型，并通过其刚度常数的推导，使其转变成正交各向异性的夹层板，通过Livbove—Batdorf夹层板理论，得到其基本方程。并就简支板为例，得到其解析解，通过与有限元分析进行对比，两者结果吻合良好。最后就夹层板的力学特性进行了参数分析，讨论了钢筋支撑的最优布置方式，以及剪切刚度对板的变形的重要影响。     

四边固支蜂窝夹层板1:3内共振非线性动力学分析

基于经典叠层板理论和几何大变形理论,将铝基蜂窝芯层等效为一正交异性层,等效弹性参数由修正后的Gibson公式得出,对四边固支蜂窝夹层板非线性动力学特性进行了分析。考虑横向阻尼的影响,建立了四边固支蜂窝夹层板受横向激振力作用的受迫振动微分方程,通过振型正交化将蜂窝夹层板受迫振动微分方程简化成双模态下的动力学控制方程,利用同伦分析方法对双模态下蜂窝夹层板的动力学控制方程进行研究,得到了1:3内共振下的幅频特性曲线,研究了不同结构尺寸对动力学特性的影响以及蜂窝夹层板作稳态运动时的稳定性问题。本文得到的结果为蜂窝夹层板的设计和实际应用提供了理论依据和数值参考。     

用于多种夹层板等效的有限元分析法

针对夹层板力学性能解析法难于计算复杂结构的夹层板且通用性差的问题,本文采用有限元分析法研究了夹层板性能的等效方法。对夹层板的代表体单元模型施加位移约束,模拟弯曲变形时线性独立的应变分量和弯曲内力;根据夹层板内力与应变的本构关系,求出刚度矩阵;最后由刚度矩阵得出宏观等效弹性常数,从而把夹层板等效成连续材料的单层板单元。将该方法与解析法计算结果进行比较得到的夹层板单元四个主要弹性常数误差在0.2%以内,验证了该方法的有效性;另外采用该方法等效三种典型结构夹层板,比较实际模型和等效模型的弯曲响应,得到的误差均在1.4%以内,表明该方法在不考虑复杂多变的夹芯结构时具有通用性。     

考虑面层约束时蜂窝芯弹性常数的确定

本文研究了面板约束效应对蜂窝芯弹性性能的影响并基于六边形蜂窝芯夹层板的代表性体单元建立了考虑面板约束效应的蜂窝芯位移模式.根据真实蜂窝芯代表性单元与其等效材料的代表性单元在宏观均匀应变作用下的总弹性应变能相等,导出了蜂窝芯材料等效弹性常数的公式,进一步探讨了蜂窝几何参数对其弹性常数的影响规律.通过与现有理论结果、有限元结果和实验数据进行对比证实本文导出的弹性常数公式具有较好的预报精度.结果表明面板约束对蜂窝芯等效弹性常数有显著影响.     

三角形夹芯板夹心层的等效弹性常数

推导了三角形夹芯板夹心层的等效弹性常数,为验证所推导的弹性常数的合理性,用NASTRAN有限元计算程序对两种模型进行了静力计算比较,一种是用所推导的弹性常数将夹心等效后,以层合板的形式进行计算的模型,另一种是对整个结构直接采用板单元进行计算的模型.计算结果表明:两种模型结果吻合良好.     

构造上正交各向异性凹凸板等效刚度的研究

针对构造上正交各向异性凹凸板等效刚度的研究问题,考虑经典弹性薄板理论和凹凸板的几何周期特性,划分出了以凸起为中心的典型单元,首先研究了典型单元的刚度特性,再通过刚度组合方法得到了凹凸板的等效弯曲刚度;然后以四边简支正交各向异性凹凸板为例,基于经典薄板理论中纳维二重三角级数推广到正交各向异性板的解,利用本文的等效刚度公式分别计算了在集中载荷作用下板的挠度和其自身的固有频率。计算结果与ANSYS有限元的模拟结果进行对比,理论计算与有限元模拟结果一致,验证了本文等效解析方法的合理性和精确性。最后讨论了凹凸板的各项尺寸参数对刚度等效精度的影响,并对其原因进行了分析。本文给出的等效刚度解析方法便于工程应用,尤其在应对大规模凹凸板刚度求解中具有计算简便的优点,研究结果对凹凸板静力学和动力学的研究以及实际工程应用具有重要的指导意义。     

考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计

增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情. 然而, 增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难. 为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能, 并实现点阵结构的弹性各向同性设计, 首先, 本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为, 通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数. 然后, 设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构, 基于代表体元法, 在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件. 最后, 根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度, 并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件. 研究结果表明, 正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为, 基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量. 在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性. 在考虑材料的各向异性之后, 基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸, 能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计.      

弹性体表面分层压缩失稳问题的数学弹性力学解

采用数学弹性力学的稳定平衡方程并结合富氏积分变换的方法研究了含表面平行裂纹的弹性体在压缩载荷下的表面分层失稳问题。导出了一级显式的精确齐次奇异积分方程组,然后.通过Gauss-Chebyshev积分公式,得到一组齐次代数方程组,从而求出临界压缩载荷。并将结果与经典的材料力学梁板稳定的研究方法所得结果进行了比较,指出经典方法误差太大而不适于求解此问题。最后,利用数学弹性力学解求出的等效弹性支承常数给出一个简单精确的临界压缩载荷计算公式。     

Theoretical prediction on corrugated sandwich panels under bending loads

In this paper, an aluminum corrugated sandwich panel with triangular core under bending loads was investigated. Firstly, the equivalent material parameters of the triangular corrugated core layer, which could be considered as an orthotropic panel, were obtained by using Castigliano’s theorem and equivalent homogeneous model. Secondly, contributions of the corrugated core layer and two face panels were both considered to compute the equivalent material parameters of the whole structure through the classical lamination theory, and these equivalent material parameters were compared with finite element analysis solutions. Then, based on the Mindlin orthotropic plate theory, this study obtain the closed-form solutions of the displacement for a corrugated sandwich panel under bending loads in specified boundary conditions, and parameters study and comparison by the finite element method were executed simultaneously.     

冲击波与破片对波纹杂交夹层板的联合毁伤数值研究

通过有限元软件LS-DYNA模拟了波纹杂交夹层板在冲击波与破片联合作用下的响应过程,研究了炸药当量、载荷类型和填充方式对波纹杂交夹层板变形与失效模式的影响,并与实体板、间隔板和波纹夹层板的抗联合毁伤性能进行了对比,讨论了波纹杂交夹层板的能量吸收特性。数值计算结果表明:与冲击波单独作用相比,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用对结构造成的毁伤更为严重;当药量较小时,波纹夹层板和波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能优于实体板与间隔板,波纹杂交夹层板的抗联合毁伤性能从全填充、迎爆面填充到背爆面填充逐渐降低;当药量较大时,所有结构均产生破口失效;在能量耗散方面,冲击波单独作用时以波纹芯层吸能为主,破片群单独作用和冲击波与破片联合作用时以上面板吸能为主。     

局部失效缺陷下的二级层级褶皱结构失效机理研究

基于弹性梁理论,对局部失效缺陷下的二级层级褶皱结构失效机理进行了分析。通过对原结构体系和局部失效后新结构体系的受力分析,归纳总结了结构的六种失效模式。根据各失效模式之间的占优关系绘制了失效机理图,讨论了参数l1/l、θ和α对失效机理图的影响,并基于特定失效序列优化约束,给出了结构轻量化优化列式。通过数值仿真,验证了局部失效后二级层级褶皱结构失效预测的正确性和层级失效序列设计思路的可行性。最后采用3D打印模型进行了验证实验,实验结果与理论解吻合较好。     

Nonlinear stability of a shallow unsymmetrical heated orthotropic sandwich shell of double curvature with orthotropic core

Equations which govern the behavior of an elastic unsymmetrical, orthotropic sandwich shell of double curvature with orthotropic core having different elastic characteristics under uniform heating are derived. The face sheet may be of unequal thickness of different materials. However, a restriction that the radii of curvature of the shell elements be large compared with the overall thickness of the sandwich shell is imposed. The variational procedure has been used to obtain the five equations which govern the behavior of the heated orthotropic sandwich shell for the stability. In case of symmetry the equations resemble with those of Grigolyuk. Finally, the numerical results of a square or a rectangular simply supported curved plate section of a cylindrical shell under thermal loading have been computed and compared with other known results. The graphs have been drawn to show the effects of different sandwich material for immovable and movable edge conditions.     

Development of an analytical framework for viscoelastic corrugated-core sandwich plates and validation against FEM

In this study, an analytical procedure for the bending problem of a viscoelastic sandwich plate with a corrugated core is presented. Reissner–Mindlin plate theory and N-termed Prony series are employed to define the elastic and time-dependent contributions of the governing equations, respectively. Three different corrugation patterns, i.e., rectangular, trapezoidal, and triangular, are examined. Moreover, the structure is analyzed under both simply support and clamp boundary conditions. The calibrated material parameters of polymethyl methacrylate (PMMA) for the Generalized Maxwell rheological model are employed to show the viscoelastic response of the structure. A 3D finite element simulation of the problem is also conducted to confirm the accuracy of the analytical formulation. The two well-known creep and stress relaxation phenomena of the viscoelastic materials are examined for the mentioned corrugation cores and both boundary conditions analytically and numerically. The time-dependent dimensionless deflection and resultant von Mises stress distributions are provided. Besides, the variation of the results with various rise-times and applied load are studied in detail. The von Mises stress contours of the upper surface of the structure at the end of the creep test are also presented. The finite element method outcomes verify the analytical results with excellent compatibility. The proposed analytical procedure can be used as an efficient tool to study the effects of various parameters such as material, geometrical constants, and corrugation pattern on bending of viscoelastic sandwich plates with corrugated core problems for design and optimization, which involves a high number of simulations.

     

Elastodynamic behavior of laminated orthotropic plates under initial stress

A finite element method of analysis of the vibrational and wave propagational characteristics is presented for a laminated orthotropic plate under initial stress. The plate may have an arbitrary number of bonded elastic orthotropic layers, each with distinct thickness, density and mechanical properties, and the analysis is capable of treating a completely arbitrary three-dimensional state of initial stress. Biot's theory for incremental elastic deformations of a stressed solid forms the basis for this study. A homogeneous, isotropic plate under two different states of initial stress was analyzed and their numerical results showed excellent correlation with those from an exact solution. Further examples of a three layer composite plate and a sandwich plate are offered to add some general insight to the physical behavior of such plates.     

曲壁蜂窝夹层板的振动特性研究

曲壁蜂窝具有负刚度特性,可以在大变形过程中吸收能量、抗冲击,并且在冲击过后可以自我恢复而不像传统蜂窝被压溃。本文将曲梁构成的负刚度蜂窝作为芯层,建立夹层板的动力学模型;推导出了曲壁负刚度蜂窝胞元的等效弹性参数,将其周期性排列为蜂窝芯,应用Reddy高阶剪切变形理论、Von-Karman大变形关系和Hamilton原理推导了负刚度蜂窝夹层板的非线性动力学方程;应用Navier法计算了四边简支边界条件下的固有频率。并利用有限元软件ABAQUS建立模型,计算固有频率,与理论计算结果进行比较,结果显示二者的计算结果具有较好的一致性,验证了芯层等效弹性参数及模型的有效性。探讨了在蜂窝胞元具有较高吸能情形下,夹层板在不同芯层厚度、不同芯厚比以及不同胞元曲壁厚度时的固有频率的变化特性。     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.