复合材料加筋板壳结构的后屈曲强度及破坏分析程序系统

本文介绍适用于复合材料（含各向同性材料）层合加筋板壳结构的后屈曲强度及破坏分析的程序系统（ＣＯＭＰＯＳＳ程序系统）的功能特点、原理和结构，通过一个受压剪载荷作用的加筋层合矩形板的破坏分析，并与试验结果作了比较，说明该程序系统的正确、可靠性     

短柱型复合材料加筋壁板轴向压缩破坏分析方法研究

复合材料加筋结构可作为航空结构中的承力部件,其损伤与破坏对航空器的结构安全和服役性能至关重要．本文通过试验和数值仿真手段研究了短柱型复合材料结构压缩失效机理和极限承载力．通过短柱型单加筋板的轴向压缩破坏试验,分析梳理出界面脱粘和材料压溃两种典型失效形式;分别建立加筋板壳单元模型和实体单元模型,引入内聚力模型和Hashin 准则描述界面脱粘效应与材料破坏,结果表明壳单元模型配合内聚力模型和Hashin 准则可以有效地预测加筋板的极限承载力．分别讨论了加筋板长度、筋条高度、筋条/蒙皮刚度比等参数对加筋板的屈曲承载力的影响,为短柱型复合材料加筋壁板压缩损伤与破坏预测分析提供有益的参考．     

弹性体的正则方程和加筋板的固有频率分析

应用弹性力学的Hamilton正则方程理论和其半解析法，为整体加筋板的固有频率分析提出了一种新颖的数学模型. 采用同一种平面元素离散板和加强筋，并分别建立板和加强筋的线性方程组. 考虑到板和加强筋连接界面上应力和位移的连续性，联立板和加强筋的方程得到全结构的方程组和求解固有频率的特征方程. 主要优越性表现为：结构的旋转惯性、剪切变形等都得到了考虑，且不限制结构的板厚度和加强筋的高度. 多个数值实例的收敛分析和结果证明了方法是可靠的. 该方法很容易被修改用来分析加筋壳、加筋压电材料层合板或带有压电材料传感器和驱动器块的板壳问题.     

考虑面内破坏过程的含分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应

基于复合材料层合板一阶剪切理论，推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式；同时采用了Adams应交能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法，构造了相应的阻尼阵列式；为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象，建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析的分层分析模型和虚拟界面联接模型。在上述模型和理论基础上，采用了Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法，对含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了动力响应和破坏分析。通过算例，分别讨论了外载频率、分层位置，以及破坏过程的刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征的影响，得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

破片冲击作用下舰船复合材料结构损伤的近场动力学模拟

基于近场动力学方法，综合分析了破片的速度、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对结构损伤模式和破片剩余速度的影响。结果显示:高速破片冲击作用下，层合板会发生侵彻和穿透现象，层合板的损伤模式以基体损伤为主，且随着破片冲击速度的增大，板上下表面的损伤区域呈现出一种先增大后减小的趋势；高速破片冲击作用下，层合的板损伤扩展方向和纤维铺设方向有关，对于纤维铺层方向相同的层合板，其上下表面的损伤扩展方向一般与纤维方向相同；加筋板通过增加少量质量可以获得比层合板更好的抗破片冲击性能，且加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对加筋板的损伤具有明显影响。     

加筋路径驱动的板壳自适应等几何屈曲分析

加筋薄壁结构常被用于航空航天结构的轻量化设计.随着结构尺寸和几何特征的增加,需要更加精细的网格来满足分析精度的要求.传统的等几何方法采用NURBS张量积形式的拓扑结构,使得在分析过程中难以实现局部细化,而全局细化则会增加不必要的自由度.为了提升加筋板壳结构的数值分析精度和效率,提出一种基于RPHT (rational polynomial splines over hierarchical T-meshes)样条的加筋板壳自适应等几何屈曲分析方法.样条网格可以沿着加筋路径进行自适应的局部细化,有效提升低自由度下加筋板壳结构等几何屈曲分析的精度.首先,蒙皮和筋条分别采用RPHT样条曲面和NURBS样条曲线进行建模,几何建模与数值仿真采用统一的几何语言,实现建模与分析的一体化.其次,采用几何投影算法和样条插值算法实现筋条与蒙皮之间的高效高精度强耦合,并建立基于加筋路径驱动自适应网格细化方法.最后,曲线加筋板和网格加筋壳两个算例验证本方法的高效性和鲁棒性,通过与基于NURBS的等几何分析进行对比,本方法能够明显降低分析模型的总自由度.     

含ER流体板结构的振动特性研究

本文制作了含电流变体夹层梁和模拟飞机蒙皮结构的含电流变体加筋层合板,采用响应幅频法,测试了在不同电场强度梁和层合加筋板结构各阶固有频率和振幅的变化;并着重测试了加筋层合板结构在改变板材料、电流变体作用面积等条件时各阶频响特性的变化。实验结果表明,随着电场强度的增加,夹层梁的频响特性有很大变化;而层合板的固有频率变化不大,但振幅却有显著变化,其中铝－层合加筋板的频响幅值的变化率达到５０．１％。     

敷去耦层有限加筋板声辐射近似解析解

本文主要研究了流体负载下敷设去耦阻尼层的加筋板,在外界激励力作用下的振动和声辐射,推导出了敷设去耦层有限长加筋板的振动响应和水下辐射噪声近似解析解。采用弹性理论来描述去耦层,并采用模态迭加理论构造响应函数,将加强筋等效为线力的作用,以复模量形式计及去耦阻尼层损耗因子,建立了敷设去耦阻尼层加筋板的理论解析模型,结合加筋板与去耦层变形连续条件、结构与流体连续性条件组成了声-流体-结构的耦合方程,结合数值计算方法,得到了有限长加筋板结构的振动位移及水下辐射噪声。开展相应数值算例与模型试验结果吻合较好,验证本文方法的正确性。     

周期性加筋板中的波传播特性

本文利用周期性结构的交互变分原理分析加筋板的波传播特性。并引进升阶谱有限元以提高计算精度，验证了该方法在高频区域的有效性。最后，分析了加筋板的长宽比，加筋状态及边界条件对结构波传播的影响。     

基于弧长法的加筋板后屈曲特性分析及试验

作为飞机上重要的承载部件,加筋壁板在发生初始屈曲后仍具有较强的后屈曲承载能力,因此研究其后屈曲特性对于确定破坏载荷具有重要意义。传统的特征值屈曲分析是以小位移小应变的线弹性理论为基础的,且不考虑结构在受载过程中结构构形的变化,因此误差较大。本文采用Riks弧长法,结合材料弹塑性理论对铝合金整体加筋壁板轴压加载后的屈曲破坏过程、传载机制、极限载荷进行了研究,并进行了轴压加载的试验验证,得到了加载过程中的应力、应变曲线以及极限载荷,还对后屈曲破坏形式进行了分析。数值模拟结果表明:本文研究的整体加筋板初始屈曲发生在蒙皮,后屈曲过程筋条是主要的承载部位,与试验中观察到的现象一致;试验中加筋板最终破坏部位发生在筋与蒙皮连接处,有限元模拟结果与试验中加筋板的最终破坏部位一致;数值模拟得到的极限载荷与试验的相对误差在5%以内。这表明基于弧长法的后屈曲计算能够准确跟踪整体加筋板的后屈曲平衡路径和预测极限载荷。     

冲击载荷作用下加筋板架破坏概率分析

取导弹战斗部初始撞击速度、战斗部质量、加筋板架材料的弹性模量和极限强度作为随机变量;采用对较小的样本数量进行拟合的方法,用产生随机数程序得到50组随机变量的初始值,利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序进行仿真计算,得到导弹战斗部击穿加筋板架后的末速度值;验证击穿板架后战斗部的末速度是否服从正态分布,若不服从正态分布则采用最大熵法拟合击穿板架后的末速度的分布函数;考虑战斗部撞击点和板架加强筋的相对位置关系,采用速度准则,利用蒙特卡罗方法模拟得到当战斗部入射角度分别为0°、30°、45°时,击穿单层和双层加筋板架的概率。     

双壳船内外壳结构耐撞性试验与仿真研究

结合船舶加筋板结构缩尺模型的耐撞性试验和有限元仿真分析,研究了双壳船舷侧内、外壳结构的碰撞损伤特性,并在此基础上对舷侧内、外壳结构的碰撞损伤性能进行了分析比较.结果表明:虽然双壳船舷侧内、外壳结构在耐碰撞能力方面的差异不是很大,但在渐进破坏过程及其总体破坏模式方面却存在一些明显的区别.而加强筋的侧向挤压变形对加筋板总体碰撞损伤性能并不会产生很明显的影响.影响船体舷侧结构耐撞性能的主要内力要素是加强筋截面内的轴力以及船壳板中面内的膜力.为了提高加筋板结构的耐碰撞能力,就要尽可能地减小结构的局部弯曲变形,较好的设计方案是增加外壳板厚度和减小加强筋尺寸.     

爆炸载荷作用下加筋板的失效模式分析及结构优化设计

通过对爆炸载荷下具有1根加强筋的固支矩形加筋板的有限元模拟，探讨了抗爆加筋板结构优化设计方法，分析了加筋板的失效模式以及加强筋相对刚度和冲击载荷强度对加筋板失效模式的影响，指出了失效模式Ⅰ下的3种变形模态以及失效模式Ⅱ下的2种子失效模式，得到了失效模式Ⅰ下加强筋和加筋板最大挠度的近似计算公式，提出了单根加筋板的两种失效模式的判别条件，并对具有1根加强筋的固支矩形加筋板抗爆结构进行了优化设计。结果表明，通过数值模拟或模型实验可以求得任意加筋板结构由发生塑性大变形到发生破损的临界条件，从而确定抗爆性能最强时加筋板的质量与加强筋横截面尺寸及间距间的关系，实现对抗爆加筋板结构的优化设计。     

缝纫复合材料层合板面内弹性模量分析

基于对缝纫孔附近局部细观结构的分析，提出了一种预测缝纫复合材料层合板面内力学性能的理论模型．从分析缝孔单胞的纤维弯曲几何特征入手，最终得到单向板及层合板的弹性常数．通过有限元分析研究了缝纫参数对复合材料层合板面内等效模量的影响．研究结果表明，缝纫造成单向板及层合板面内材料性质的不均匀，随着缝纫密度和缝纫线直径的增加，层合板的等效模量逐渐降低．     

弹体侵彻带加强筋结构靶的实验研究

以舰船结构为目标,设计了带加强筋的结构靶,并用模拟装药弹体对单层或多层模拟结构靶进行了侵彻实验。根据实验结果,建立了弹体侵彻结构靶板的剩余速度公式。分析了加强筋对靶板破坏模式和弹道参数的影响,对靶板吸收能量的情况进行了分析。结果表明,对于塑性较差的靶板,加强筋的刚度作用是影响靶板能量吸收和破坏模式的主要因素。实验结果对加筋防护结构的设计具有一定的参考价值。     

考虑损伤和界面脱粘的复合材料加筋板稳定性试验与模拟研究

对复合材料帽型加筋板的压缩稳定性进行了试验研究,并在包含复合材料多种损伤模式和胶层损伤的条件下,对加筋板失稳及损伤演化特征开展了有限元分析.试验与模拟结果表明:在加筋壁板失稳前,基体、纤维、加强筋和壁板之间的胶层均未产生明显损伤,加筋板的失稳会导致快速的损伤演化;壁板近表面损伤较内部严重,胶层界面脱粘降低了壁板的极限承载能力;考虑损伤的模拟结果与试验相符性好,证明了该方法的可行性和有效性.     

轴压加筋板壳的弯扭稳定性分析

以统一的方式分析了轴压加筋板壳的弯扭稳定性.根据小挠度能量法,采用了约束剪心概念并考虑了加筋条偏心距,截面的翘曲刚度及剪心和形心间位置偏差等因素的影响,推导了屈曲方程。例题计算的结果表明了所提出方法的可行性。     

一种复合材料的大挠度曲梁单元

本文研究了加劲壳的非线性有限元分析方法,提出了一种梁元素来模拟加筋。该元素具有曲轴线,任意形状的薄壁剖面和任意铺层方式,与三维退化曲壳元素完全协调,相对于壳中面可以有偏心,所分析的结构可以是层合复合材料加劲壳或各向同性材料单层加劲壳。     

剪切载荷下加筋板失稳模态的全场数字光学测试

通过全场光学测试和应变测试的方法,研究了剪切载荷下平板、加筋板、含切口加筋板的屈曲模态及极限承载能力。实验采用对角拉伸方式施加剪切载荷,运用全场光学形貌扫描方法对试件的变形形貌和屈曲模态进行实时扫描。实验结果表明:采用光学方法得到的加筋板试件的临界屈曲载荷值(12.44 k N)与应变测量结果(12.65 k N)吻合较好,此方法可用于临界屈曲载荷的测试;平板试件破坏时的屈曲模态沿加载方向对称分布,完整加筋板与中心切口加筋板屈曲模态均呈反对称分布,而侧切口加筋板试件的屈曲模态没有对称性;加强筋的强化和切口的局部损伤会引起屈曲模态的偏移;加筋板试件在发生破坏前的位移-载荷曲线均相近;中心切口会极大地削弱加筋板的极限承载能力。     

泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能

为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用，开展室外爆炸破坏实验，分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究，并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照，验证了模型的可行性，对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律，并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态；泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形，降低试件的破坏程度；泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好；增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。