力-热载荷下双金属复合管的屈曲失效研究

采用有限元方法研究了力-热载荷下双金属复合管的屈曲失效行为,通过三维有限元建模考虑了双金属复合管的准静态复合成型制造过程中产生的残余应力,分析了温度及内压两个主要参数对双金属复合管屈曲失效的影响。结果表明,高温导致材料发生软化,抑制了双金属复合管的屈曲;弯矩、内压及热载荷联合作用下,复合管内介质温度降低,复合管弯矩达到最大值对应的曲率减小,而弯曲承载能力增大,外基管的椭圆率也增大;内压变化对复合管的弯曲承载能力和外基管的椭圆率影响较小。     

联合载荷作用下简支矩形板的屈曲和过屈曲

本文研究了简支正交各向异性矩形板在两对板受中面压力作用下的屈曲和过屈曲性态,得到了载荷的稳定性区域,证明了临界载荷最多为二重的。利用多参数摄动方法求得临界载荷附近板的过屈曲状态的渐近解,分析了在二重临界载荷附近,当载荷按比例变化时,板的可能的过屈曲状态及其与参数的依赖关系。     

双金属复合管的静动态力学特性

对双金属复合管单位长度质量的等效截面抗弯曲、抗拉压、抗扭刚度进行了推导。分析了钢-铜、钢-铝双层、铜-钢-铜三层双金属复合管在不同结构和尺寸组合时,其各等效截面刚度与同规格单金属管各截面刚度之比随内层管与总管壁厚之比n的变化规律。获得了最优刚度性能的复合管最佳结构与尺寸组合,能节约贵金属材料。采用等效截面抗弯曲刚度、等效截面抗拉压刚度、等效质量法,推导出双金属复合管弯曲振动和轴向振动固有频率的计算模型;采用等效截面抗扭刚度、等效质量并结合等效转动惯量法,推导出其扭转振动固有频率计算模型。复合管前三阶固有频率的计算值与有限元值相比,最大误差为2.35%;与实测值相比,最大误差为3.15%。研究结果表明:内铝、外钢复合管在抗弯、抗扭方面(n=0.63时)存在最优结构。     

复杂载荷下复合材料对称层合板的椭圆形分层屈曲

应用Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｒｉｔｚ法对含有单个椭圆形分层的复合材料对称层板在压剪载荷联合作用下的脱层屈曲问题进行了分析计算。给出相应于不同的椭圆长短半轴之比ａ／ｂ值下及不同椭回主轴的偏角时，脱层屈曲的临界应变值。此计算考虑了层板的拉伸剪切藕合刚度影响及子层本身弯曲－扭转耦合刚度，和拉伸－弯曲耦合刚度的影响，给出有工程参考价值的计算结果。     

复杂载荷下复合材料对称层合板的椭圆形分层屈曲

应用Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｒｉｔｚ法对含有单个椭圆形分层的复合材料对称层板在压剪载荷联合作用下的脱层屈曲问题进行了分析计算，给出相应于不同的椭圆长短半轴之比ａ／ｂ值下及不同椭圆主轴的偏角时，脱层屈曲的临界应变值，此计算考虑了层板的拉伸剪切耦合刚度影响及子层本身弯曲－扭转耦合刚度Ｄ＾ｄ１６，Ｄ＾ｄ２６和拉伸－弯曲耦合刚度Ｂ＾ｄｉｊ的影响，给出有工程参考价值的计算结果。     

弹—塑性正交梁系轴向冲击屈曲与塑性失效的实验研究

本文对弹——塑性正交梁系(以下简称梁系)的流——固冲击屈曲和冲击塑性失效问题进行了实验研究.研究表明:在轴向流——固冲击作用下,梁系呈现出三种不同的动力临界状态:屈曲、塑性变形和塑性失效.本文通过对梁系临界状态时的动力响应特征的分析,分别建立了板架的临界动力屈曲准则,临界塑性准则和临界动力塑性失效准则,这些准则完整地定义了梁系在轴向流——固冲击作用下的弹——塑性动力特征,初步揭示了这一类非保守冲击屈曲和冲击失效现象的一些重要特性.     

海流作用下轮机叶轮的屈曲失效分析

采用有限元计算方法,全面系统地研究了在海流联合作用下卧式海流轮机叶轮的屈曲失效行为。运用屈曲失效理论、几何力分析、三维数值模拟计算相结合的手段,考虑到轮机叶轮在海流作用过程中产生的内应力作用,分析并讨论了水动力攻角、海流作用力、轮毂对叶轮的支撑点分布位置、叶轮内外压差等参数对叶轮径向屈曲失效的影响。结果表明:海流联合作用时,弦向海流力比纵向海流力的有效推力转换率高68%,相较于传统纯潮流作用下,海流联合作用时的叶轮结构未发生明显屈曲;水动力攻角20°时叶轮抗屈曲能力强,相对径向屈曲形变量比水动力攻角为40°时减小了33%;双支撑点分布位置的变化不会改变轮机叶轮的相对屈曲特性。在双支撑点分布的跨度范围内,叶轮相对径向屈曲较小,叶轮两端翼相对径向屈曲较大;从模拟计算中可以看出,叶轮内外压差变化对叶轮屈曲承载力的影响小。     

单双向流下浪流轮机空心翼径向屈曲失效分析

以垂直卧式浪流轮机的空心翼（WTHB）为主要研究对象,采用动量理论、屈曲失效理论及三维数值模拟相结合的方法,考虑了WTHB在非单一浪流过程中产生的径向压缩应力,分析了浪流单双向作用力、水动力攻角和轮翼双支持点分布对空心翼屈曲失效的影响。结果表明,双向浪流作用下的空心翼稳定性明显优于传统单向浪流作用下空心翼,最优获能水动力攻角40°相较于20°的相对径向屈曲变形量最值较大,空心翼双支持点分布对整体极限型屈曲有较大影响。     

复杂载荷作用下圆柱壳的弹塑性动力屈曲研究

对复杂载荷作用下圆柱壳的弹塑性动力屈曲问题进行了研究。基于Hamilton变分原理导出圆柱壳的运动方程 ,本构关系采用增量理论 ,借助增量数值算法求解动力方程组。结果表明 ,均匀径向外压对圆柱壳的轴向冲击的过程或冲击性态有较大的影响 ,并讨论了径向压力与轴向冲击载荷的幅值对结构临界动力屈曲载荷和临界动力失效载荷的影响。     

匀速轴向压力作用下两边简支直杆的动力屈曲

根据在不同的变形状态下匀速轴向受压的、两边简支的弹性直杆的动力屈曲控制方程,对直杆一阶、二阶形式的动力屈曲利用差分方法和有限元数值模拟方法进行计算和比较,并通过改变加载速度得到相应的数值解。计算结果表明:在保证精度的情况下,加载速度的增加使得两边简支直杆屈曲模态由一阶向二阶发生渐变;在屈曲刚发生阶段,屈曲载荷保持不变,之后屈曲载荷随着加载速度的增加而逐渐增大,且存在临界加载速度使屈曲载荷在该位置发生突变。     

充满水的金属圆柱壳经受轴向撞击时屈曲过程的实验研究

本文报道了五种规格充满水的圆柱壳经受大质量低速度轴向撞击作用时屈曲过程的实验结果。研究表明由于液体的存在，圆柱壳的屈曲模态呈轴对称型的环带波纹，整个撞击过程可以明显地分为振荡的动力加载、平稳发展的后屈曲和迅速下降的弹性卸载三个阶段。并讨论了试件壁厚和高度等几何参数对其屈曲性能的影响。     

金属蜂窝材料的弹塑性屈曲临界应力值

本文参考Hexcel公司生产的各种规格的金属蜂窝芯,讨论了金属蜂窝芯夹层板承受单轴面外压力时的屈曲模式,发现大多数商用金属蜂窝夹层板受到面外压力作用时发生弹塑性屈曲。基于二维蜂窝结构的代表性单元,建立了金属蜂窝材料弹塑性屈曲的力学模型,进而推导出其临界应力显式公式。该公式反映了蜂窝材料的几何特征及其母材的力学性能,并通过单参数表征金属蜂窝材料的弹塑性屈曲特性。本文还探讨了相对密度和开度角对金属蜂窝材料弹塑性屈曲值的影响规律。最后,通过与已有理论结果和实验结果的比较证实：本文采用的屈曲模式合理,与实验测定值符合较好表明理论预测公式有一定应用价值。     

复合材料多墙盒段弯扭耦合下的屈曲和后屈曲

针对复合材料典型多墙盒段,采用试验和有限元分析相结合的方法,研究了弯扭耦合载荷作用下的稳定性、承载能力及损伤起始、扩展情况．试验采用数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)测量方法捕捉试验件屈曲模态的变化过程,通过载荷-应变曲线获得屈曲和后屈曲破坏载荷．数值仿真基于ABAQUS/Explicit模块,采用Hashin准则结合刚度降的VUSDFLD子程序模拟复合材料的屈曲和后屈曲行为．研究结果表明,多墙盒段在弯扭载荷组合作用下发生屈曲时,扭矩会改变屈曲模态的分布形式和对称性,屈曲鼓包依然保持波峰、波谷交替出现;多墙盒段后屈曲阶段历程较长,屈曲模态由一阶向高阶逐渐发展,直到结构发生过大变形,彻底破坏而失去承载能力．     

轴向冲击载荷作用下直杆弹性动态屈曲的研究

本文利用分叉的概念,从应力波理论出发,把轴向冲击载荷作用下直杆的弹性动态屈曲问题化为特征值问题,从而导出直杆动态屈曲的临界分叉准则。同时,本文对一端固支直杆受轴向冲击时的弹性屈曲问题进行了实验研究,测到的临界屈曲时间和理论预计值基本符合,证实了理论模型的合理性.理论和实验两方面的结果都表明,直杆受轴向冲击载荷作用时的屈曲现象发生在波动过程的前期,因此在处理这类问题时考虑波动效应是必要的。     

Ponding Instability of Cylindrical Air-Supported Membranes under Nonsymmetrical Loadings

The paper deals with the stability of a cylindrical air-supported membrane subjected to an eccentric lineload and an accumulating ponding fluid in the depression caused by the load. A critical value of the load is calculated by solving the equations of equilibrium for the structure. Results of the analysis indicate that the eccentricity causes a significant increase in the value of the critical load. The elastic properties of the membrane are included in the analysis which leads to slightly lower critical loads than the corresponding “inextensional” membrane case.     

微尺度金属薄膜屈曲稳定性的实验研究

微尺度金属薄膜的脱粘和屈曲严重影响着膜基结构的性能和使用寿命。本文对微尺度的金属铜薄膜在残余应力和外部压力共同作用下的脱粘屈曲和后屈曲模式进行了研究,用自行设计的单轴对称加载装置进行压力加载,用一台光学显微镜观察薄膜表面的屈曲形貌。在外力作用下薄膜会出现垂直于加载方向的直线型屈曲,但在外力卸载过程中该屈曲并不稳定,会演化成电话线型屈曲,完全卸载后形成泡状屈曲。再次加载后,恢复到直线型屈曲。研究表明:直线型屈曲的不稳定现象主要与薄膜的残余应力、基底的泊松比以及薄膜沿纵向与横向的应力比有关。     

Liner wrinkling and collapse of bi-material pipe under bending

Lining internally a carbon steel pipe with a thin layer of corrosion resistant material is an economical method for protecting offshore tubulars from the corrosive ingredients of hydrocarbons. In applications involving severe plastic bending, such as in the reeling installation process, the liner can detach from the outer pipe and develop large amplitude buckles that compromise the flow. This paper outlines a numerical framework for establishing the extent to which lined pipe can be bent before liner collapse. The modeling starts with the simulation of the inflation process through which the two tubes develop interference contact pressure. Bending the composite structure leads to differential ovalization and eventually separation of part of the liner from the outer pipe. The unsupported strip of the liner on the compressed side first wrinkles and at higher curvature buckles and collapses in a diamond shaped mode. The sensitivity of the collapse curvature to the various parameters of the problem is studied, and amongst other findings the onset of collapse is shown to be very sensitive to small geometric imperfections in the liner. It is also demonstrated that bending the pipe under modest amounts of internal pressure can delay liner collapse to curvatures that make it reelable.     

Buckling of cantilever cones under external pressure

An experimental and numerical study was performed on the buckling behavior of clamped-free truncated cones under external pressure. A lap-jointed polyester cone was vertically settled in a water vessel and was clamped at the small radius end. Raising water level, the relation of normal displacement with water level was recorded and the buckling water level was determined. The experimental results were in good agreement with the finite-element solutions. The same finite-element program was then used for a parametric study on the buckling of clamped-free cones subjected to uniform external pressure. The results show that the ratio of the critical external pressure of a clamped-free cone with that of a simply supported equivalent cylinder is a function of only the taper ratio ψ of the cone.