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.     

层级褶皱结构夹层板的等效弹性常数

针对二级层级褶皱结构夹层板,通过变形协调研究了其等效弹性常数。首先对一级层级褶皱结构进行正交各向异性等效,得到一级等效弹性常数;将二级层级褶皱结构看成是由正交各向异性材料组成的三角形桁架夹心,将二级层级褶皱结构等效为均匀连续正交各向异性板,依据夹层板面板与夹心变形协调特点得到夹层板整体等效弹性常数。结合结构几何参数对等效公式的误差进行了讨论,并对等效公式做出修正。通过与数值分析结果对比,表明本文提出的等效公式具有较高精度。     

夹层板的有限单元法

本文根据Hoff型夹层板弯曲理论,采用有限单元法导出了夹层板单元的刚度矩阵、质量矩阵、一致的载荷矢量和温度载荷矢量;用以计算一般夹层板的变形、应力或自由振动。其结果与理论解相比,具有较满意的精度。     

Daubechies条件小波有限元法研究

为拓展小波理论在结构工程中的应用,提高结构计算精度,提出了以Daubechies条件小波Ritz法为基础的Daubechies条件小波有限元法。该法结合广义变分原理和拉格朗日乘子法构造修正泛函,根据修正泛函的驻值条件得到全域法求解方程矩阵。根据构件的边界条件,按左右边界对求解矩阵进行相应拆分,构建条件小波单元刚度矩阵,并依据公共节点位移相等原则形成总体刚度矩阵,由此解得各单元的小波基待定系数,即可进一步求解位移场函数、内力分布函数及荷载集度函数。以工程中常见的弹性拉压杆及平面弯曲梁为例,详细阐述了该方法的构造过程。并通过典型算例将Daubechies条件小波有限元法计算值与理论解进行了对比,结果表明:在弹性拉压杆算例中,位移、应力、载荷集度的相对误差均在1.22×10-3%以内;在平面弯曲梁算例中,挠度、弯矩、载荷集度的相对误差均在8.91×10-2%以内。     

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。     

层状横观各向同性地基上异性矩形薄板的弯曲解析解

选用更具广泛性的层状横观各向同性弹性地基模型,来分析四边自由各向异性矩形地基板的弯曲解析解。先基于直角坐标下横观各向同性体的静力胡海昌通解,借助双重傅里叶变换及矩阵传递法,获得层状横观各向同性地基的静力位移场和应力场;然后将异性薄板的弯曲控制方程,与基于层状横观各向同性弹性地基的位移解建立的板与地基变形协调方程相结合,先按对称性分解,再用三角级数法,得出层状横观各向同性弹性地基上四边自由各向异性矩形薄板的弯曲解析解,包括地基反力、板的挠度及板的内力的解析表达式。克服了数值法的弊端,取消了对地基反力的假设,且避免了矩阵指数函数的计算;同时考虑了地基的层状性及板和地基的各向异性,从而得到板的内力及地基反力更切实际的分布规律。算例结果与文献的有限元结果吻合良好,证明本文方法是切实可行的。     

层状横观各向同性地基上异性矩形薄板的弯曲解析解

选用更具广泛性的层状横观各向同性弹性地基模型,来分析四边自由各向异性矩形地基板的弯曲解析解。先基于直角坐标下横观各向同性体的静力胡海昌通解,借助双重傅里叶变换及矩阵传递法,获得层状横观各向同性地基的静力位移场和应力场;然后将异性薄板的弯曲控制方程,与基于层状横观各向同性弹性地基的位移解建立的板与地基变形协调方程相结合,先按对称性分解,再用三角级数法,得出层状横观各向同性弹性地基上四边自由各向异性矩形薄板的弯曲解析解,包括地基反力、板的挠度及板的内力的解析表达式。克服了数值法的弊端,取消了对地基反力的假设,且避免了矩阵指数函数的计算;同时考虑了地基的层状性及板和地基的各向异性,从而得到板的内力及地基反力更切实际的分布规律。算例结果与文献的有限元结果吻合良好,证明本文方法是切实可行的。     

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.     

四边简支硬夹芯夹层板的弯曲问题研究

现有的夹层结构理论都是将夹芯视为软夹芯,忽略了其面内应力分量和弯曲刚度.该理论不能满足近年来出现的硬夹芯夹层结构.对此,考虑了以上被忽略的因素,修正了Reissner理论的软夹芯假设,提出了考虑夹芯面内应力分量和弯曲刚度的硬夹芯夹层板基本假设.根据最小势能原理得到了硬夹芯夹层板弯曲的基本方程和边界条件,给出了四边简支硬夹芯夹层板在横向载荷下弯曲的解析解.另外本文还研究了硬夹芯夹层板弯曲问题的有限元法,推导了四节点四边形等参单元的有限元列式,并用MATLAB编程求解了具体算例.     

桁架板等效刚度分析

桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式。具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比。结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度。     

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.     

夹层梁总体屈曲及皱曲的有限元计算

皱曲是夹层结构的一种短波屈曲模式,通常发生于夹心较厚或夹心刚度较低的情况。由于模型规模的限制,在常规有限元建模时通常将夹层板模拟为二维板单元,这种方法忽略了面板和夹心在厚度方向上的相互作用,无法计算出皱曲模式。针对上述问题,本文首先介绍了一个计算夹层结构总体屈曲和皱曲的统一理论,并将此理论的计算结果作为理论解。为了同时...     

Mechanical behavior of sandwich composite beams made of foams and functionally graded materials

We investigate sandwich composite beams using a direct approach which models slender bodies as deformable curves endowed with a certain microstructure. We derive general formulas for the effective stiffness coefficients of composite elastic beams made of several non-homogeneous materials. A special attention is given to sandwich beams with foam core, which are made of functionally graded or piecewise homogeneous materials. In the case of small deformations, the theoretical predictions are compared with experimental measurements for the three-point bending of sandwich beams, showing a very good agreement. For functionally graded sandwich columns we obtain the analytical solutions of bending, torsion and extension problems and compare them with numerical results computed by the finite element method.     

轻质金属点阵夹层板热屈曲临界温度分析

本文针对均匀温度场下四边简支和四边固支金属点阵夹层板的临界热屈曲温度进行了求解和参数影响分析。将点阵夹芯等效为均匀连续体,并且将夹层板的剪切刚度近似为点阵夹芯的抗剪切刚度,忽略夹芯的抗弯刚度且认为夹层板主要由面板来提供抗弯刚度。对于无法获得解析解的四边固支条件,通过对未知变量进行双傅里叶展开的方法求解了Ressiner夹层板模型的临界屈曲温度,理论分析结果与有限元计算结果吻合良好。进一步分析了不同边界条件、点阵胞元构型、点阵材料相对密度、面板厚度等对临界屈曲温度的影响规律。     

基于多层模拟方法的双层梁断裂有限元分析

本文提出一种用于含分层的双层梁线弹性断裂分析的有限元方法．将上下子梁均模拟为多个子层，采用只有平动位移自由度的新型梁单元，假设单元内的位移沿纵向和横向均线性变化，推导了该单元的单元刚度矩阵．将开裂部分和未开裂部分的子梁进行单元刚度矩阵组装，施加相应的等效结点力，得到整体平衡方程，并结合边界条件进行求解．为验证该方法的有效性和精度，开展非对称双悬臂梁(Asymmetric Double Cantilever Beam, ADCB)和单臂弯曲梁(Single Leg Bending, SLB)试样的断裂分析，利用虚拟裂纹闭合技术(Virtual Crack Closure Technique, VCCT)得到了试样的能量释放率及其分量，并将求得的结果与解析解和二维有限元解进行对比．计算结果表明，相对于传统双层模拟方法，该多层模拟方法能够精确、高效地计算各类梁试样的能量释放率及其分量，并且无需引入界面连续条件．     

蜂窝层芯夹层板结构振动与传声特性研究

蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.     

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.

     

一阶和二阶金字塔点阵材料等效弹性参数研究

本文通过分析一阶和二阶金字塔点阵夹芯结构的受力特点,研究了它们的等效弹性参数,得到了一阶和二阶芯体在受到3方向简单压缩及1、2方向单向剪切载荷时的等效弹性参数的解析解.此外,还分别建立了三维一阶和二阶点阵夹芯结构的有限元模型,并将有限元解与相同条件下的理论解进行了比较,验证了本文理论计算的正确性.     

蜂窝夹层板结构等效模型比较分析

在对蜂窝夹层板结构进行有限元分析时,要对其进行等效处理,采取等效方法的合理性将直接影响到计算结果的准确性.分别采用Reissner理论、Hoff理论、三明治夹芯板理论三种不同的等效方法建立有限元模型,然后进行了静力分析和模态分析,并将每种等效方法的计算结果与实体单元建立的蜂窝夹层板模型计算结果进行了比较.与Reissn...