水平圆柱薄壳非轴对称载荷作用内力分析

近年来大直径圆柱形薄壳结构烟风煤粉管道的使用呈增长趋势.水平圆柱薄壳在非轴对称载荷作用下的内力常按整体梁理论或壳的无矩理论计算,无法反映载荷作用边界的弯曲应力.本文结合圆柱壳的无矩理论和弯矩理论,得到了简支水平圆柱薄壳在任意高度内部积灰(粉)、风、雪、自重、地震作用下的内力解析解,且理论解与三维有限元分析结果非常接近.研究结果可推广到类似的非轴对称变形圆柱壳,并为水平薄壁圆柱壳结构设计提供依据.     

基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化设计方法

薄壁结构是汽车等运载工具的重要防护装置,除了其轴向防撞能力外,侧向耐撞性能分析与提升方式也非常重要。研究基于薄壁结构厚度合理分布的侧向耐撞性能提升方式和建立基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化方法。以汽车B柱受力环境和性能要求为设计需求,首先利用所建立的方法给出了连续变厚度的薄壁梁厚度分布设计,其性能较常规的等厚度薄壁梁最大侵入位移大幅下降(下降82%),验证了变厚度设计的有效性;然后,考虑单向变厚度便于柔性轧制工艺制成TRB,给出了轴向连续变厚度薄壁梁的厚度分布设计,该设计较等厚度梁最大侵入位移下降73%;与连续变厚度梁相比,在侵入位移降低量略小的情况下,实现了可制造性。设计实例表明本文提出的连续变厚度设计能够有效提高侧向耐撞性能,所建立的方法能够获得合理的厚度分布设计,是有效的耐撞性优化设计方法。     

形状记忆合金混杂复合材料薄壁梁主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型.基于变分渐近法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测.基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式.由该文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程.在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果.通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量、驱动温度和复合材料铺层角的影响.     

受冲薄壁结构动力效应的显式有限元分析

提出一种计算受冲薄壁结构动力效应的显式有限元方法,采用退化四节点壳单元及快速可行的接触搜寻法,动用基于Ｐｒａｎｄｔｌ－Ｒｅｕｓｓ塑性流动增量理论的等向强化塑性Ｓｙｍｏｎｄｓ应变率材料模型与合适的应力回映方法,可以准确地模拟受冲薄壁结构的动态过程,文中实例表明：已被广泛采用的Ｒｅｉｄ与Ｒｅｄｄｙ的针对薄壁圆管横向压缩中某些特殊情况而作的变形模式假设并不具有广泛适应性;对应变率敏感材料,应变率效应不仅     

薄壁杆侧向稳定分析有限杆元模型

根据位移变分原理,建立有限杆元模型,对薄壁杆进行侧向稳定分析。在考虑截面扭转、翘曲同时,特别考虑了反映剪力滞后现象的杆壁中面上剪应交的影响。推导出薄壁杆侧向屈曲能量方程可适用求解常用边界条件,任意棱形截面形状的薄壁杆的屈曲特征值问题。     

钢-LVL组合工字形梁受剪性能研究

将单板层积材(LVL)和冷弯薄壁型钢通过结构胶复合形成工字形截面的组合梁,以组合梁的剪跨比、腹板和翼缘LVL厚度为参数,对9根钢-LVL组合工字形梁进行受剪性能试验,观察其在不同荷载作用下的破坏现象、破坏形态、应力变化及挠度的发展,对受剪承载力的影响因素进行分析,并提出组合梁的跨中挠度及受剪承载力的计算方法.试验结果表明,钢-LVL组合工字形梁的整体工作性能较好,组合效应显著,其受剪承载力与剪跨比、腹板厚度及翼缘厚度有关.当剪跨比小于2.5时,试件表现为明显的剪压破坏,腹板厚度、翼缘厚度的增加以及剪跨比的减小,可以有效地提高其极限受剪承载力.提出了组合梁的跨中挠度和受剪承载力计算模型,与试验结果吻合良好,实测挠度与计算挠度误差在8%以内,受剪承载力试验值与计算值平均误差不超过10%.     

横截面参数化网格变形算法及耐撞性优化应用

薄壁梁结构是汽车等运载工具的主要承载构件，提高该类结构的耐撞性对乘员安全具有重要意义。然而，形状优化设计要求多组有限元模型与仿真分析，因此需要特定的建模技术或人工交互。本文提出了一种基于横截面形状的参数化网格变形方法，以实现已有有限元模型的有效重用。以给定有限元模型为输入，采用基于各向异性径向基函数网格变形方法，并结合骨架内嵌空间，可快速生成适用于仿真分析的有限元模型变体。以S形梁轴向冲击耐撞性设计为例，采用所提方法改变构件塑性铰区域的横截面形状，可快速（低于4 s）获取100组局部变形有限元模型，并采用代理模型技术和多目标遗传算法优化结构耐撞性。数值结果显示，构件耐撞性获显著提高，验证了所提参数化变形方法的有效性，展示了与一般形状优化框架的可集成性。     

薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化研究

新一代航天装备的主承力薄壁舱段在追求极致轻量化的同时,还具有更高的刚度和抗屈曲等设计指标.传统结构形式和设计方法难以满足轻质高承载的设计要求.为此,本文提出了一种薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化方法,通过构建主层级稀疏加筋和次层级密集点阵增强结构整体和局部力学性能,扩展结构设计空间,有效提升材料利用率.其中,主层级加筋布局通过变密度拓扑优化方法获得,次层级点阵构型通过基于改进的渐进均匀化方法提出的两种设计方法获得,并基于材料插值模型,建立了多层级并发加筋拓扑优化框架,实现在一次拓扑优化求解中同时获得主层级加筋布局和次层级单胞拓扑构型.基于上述方法,本文分别给出了考虑结构刚度和稳定性设计需求的优化算例,并与传统单层级加筋拓扑优化进行了对比.结果 表明,多层级并发加筋方法可以根据承载边界和设计目标寻找优化的结构形式,且在相同质量下,其优化构型相比传统单层级拓扑优化结果表现出更高的承载性能,证明了本方法在薄壁结构设计上的优势.     

薄壁曲梁的稳定性研究进展

 曲梁是桥梁、建筑、船舶、航空和航天工程中常见的薄壁构件，根据外载荷与主曲率平面的关系，又被称为拱或水平曲梁．随着工程材料的日益发展，如复合材料、功能梯度材料的引入，曲梁的应用范围更加广泛，进一步推进了薄壁曲梁稳定性问题的研究．本文首先对薄壁梁结构的稳定性行为进行了分类．接着简述了薄壁构件的基本假设，对比了近几十年来薄壁曲梁的基本理论，针对复合材料薄壁曲梁，总结了相应的本构关系，并对各理论间存在的分歧进行了归纳．结合最新的薄壁曲梁研究，根据平衡法、能量法和虚位移（虚功）原理推导出控制微分方程，阐述了相应的求解方法，如解析法、半解析法和数值解法．为验证薄壁曲梁理论的准确性，曲梁承载能力试验验证尤为重要，但目前国内外相关研究还很少，亟待发展．最后讨论了现阶段薄壁曲梁研究的局限性和未来发展的方向．     

A STUDY ON THE EFFECT OF RADIAL INERTIA ON THE ELASTO-PLASTIC COMBINED STRESS WAVE PROPAGATION IN THIN-WALLED TUBES

An in-depth analysis of propagation characteristics of elasto-plastic combined stress waves in circular thin-walled tubes has been made. In obtaining the simple-wave solution, however, most researches have ignored the influence of the circumferential stress related to the radial inertial effect in the tubes. In this paper the incremental elasto-plastic constitutive relations which are convenient for dynamic numerical analysis are adopted, and the finite-difference method is used to study the evolution and propagation of elasto-plastic combined stress waves in a thin-walled tube with the radial inertial effect of the tube considered. The calculation results are compared with those obtained when the radial inertial effect is not considered. The calculation results show that the radial inertial effect of a tube has a fairly great influence on the propagation of elasto-plastic combined stress waves. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19572064) and the National Defence Preresearch Foundation (No. 96J11. 4. 4. 0102).