具有分层损伤的不同加筋形式复合材料层合板的后屈曲性态研究

基于板的一阶剪切理论和V on-K arm an大挠度理论,分别推导了复合材料层合板和层合梁的几何非线性有限元列式,提出了含嵌入分层的复合材料加筋层合板在受压缩载荷作用下的后屈曲有限元分析方法,对在板厚方向具有不同分层位置的加筋板结构进行了有限元数值分析,研究了不同的加筋方式及筋的分布对具有分层损伤的复合材料加筋层合板的后屈曲性态的影响,所得结果对确定在压缩载荷作用下含损伤复合材料加筋层合板的剩余承载能力具有参考价值。     

基于累积失效法的含损伤格栅加筋板非线性屈曲状态分析

分别采用基于Mindlin一阶剪切理论八节点层合板单元和三节点层合梁单元来模拟蒙皮和肋骨,用累积失效法研究了在压缩载荷作用下蒙皮内含分层损伤复合材料正交格栅加筋板的非线性屈曲性态,分析中考虑了加载过程中蒙皮和肋骨纤维断裂、基体损伤和纤维-基体剪切失效造成的刚度退化,并采用了非线性接触单元模型处理蒙皮分层上下子板间的接触效应。通过典型算例,讨论了蒙皮铺设方式、蒙皮分层的面积和深度、肋骨与蒙皮的刚度比,累积失效行为等因素对格栅加筋板非线性屈曲性态的影响。     

含分层损伤复合材料层合板的压缩强度研究

给出了基于一阶剪切变形理论的含分层损伤层合板有限元分析模型,将含分层损伤层合板在压缩载荷作用下的强度破坏分析和屈曲破坏分析统一起来,先区分其破坏形式,然后再进行具体破坏分析.在屈曲特性分析中考虑了铺层强度破坏引起的刚度折减的影响.数值结果表明, 该文给出的方法和结论对含分层损伤复合材料层合板的设计更具参考价值.     

含分层损伤复合材料层合板剩余压缩强度研究

准确预测含分层损伤层合板的剩余压缩强度,对复合材料具有十分重要 意义。本文基于层合板一阶剪切理论,建立了一种考虑复合材料多种损伤的含分层层合板刚度退化模型,通过数值算例分析了分层屈曲临界载荷与材料强度极限的关系以及刚度退化对含分层层合板前后屈曲行为的影响。     

低速冲击下压电层合板的非线性动力响应与疲劳损伤寿命分析

基于损伤力学,考虑压电效应、几何非线性和损伤演化的影响,建立了集中载荷作用下压电层合板的非线性运动微分方程,考虑撞击物与压电层合板之间的弹性接触效应,确定了层合板所承受的冲击力.对此非线性动力问题,采用有限差分法进行求解,且引入损伤层合板单元模型,采用有限元方法模拟了冲击荷载作用下压电层合板的损伤演化.算例中,讨论了撞击物的冲击速度、压电材料以及损伤对压电层合板非线性动力响应的影响,以及周期冲击荷载下冲击速度和压电材料对压电层合板疲劳损伤寿命的影响.     

含脱层层合板分叉屈曲的宏微观失效机制分析

根据板壳理论并考虑层合板脱层处的接触效应影响,推导了层合板的控制方程,借助量纲归一化分析建立了该问题的八次特征方程。通过对特征方程各参数进行定性分析,建立了求解八次方程根的解析表达式,发现了层合板的宏微观变形模态。利用MATLAB软件进行算例分析,获得了在不同脱层情况下层合板的屈曲模态参数和临界屈曲荷载。研究表明:层合板的屈曲模态包含整体一致的宏观变形和界面处的微观变形。研究结果与ABAQUS的有限元解进行了对比,结果表明:理论解与有限元分析的结果非常一致。论文从理论分析的角度研究了复合材料矩形层合板的屈曲问题,从理论上剖析了分层层合板的宏微观失效模态。     

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。     

反对称铺设复合材料层合板非线性后屈曲分析

基于层合板壳理论,考虑反对称铺设层合板的拉弯耦合效应和后屈曲过程中的非线性几何变形,推导了由应力函数和挠度表示的复合材料层合板的后屈曲控制方程。引入无量纲参数对控制方程和边界条件进行无量纲化,以消除材料参数及几何尺寸对分析结果的影响。采用摄动法将无量纲的非线性控制方程及边界条件展开成一系列非齐次线性摄动方程组,分析各阶摄动方程的通解与特解的构造,并逐次求解,建立了反对称铺设复合材料层合板受单向均布压力作用的临界屈曲荷载及后屈曲平衡路径的理论解。进而运用ABAQUS软件对复合材料层合板在面内压缩载荷作用下的屈曲和后屈曲进行有限元分析,结果表明理论解与ABAQUS结果十分接近,验证了理论解的正确性。在此基础上进一步讨论了铺设角度、铺设层数和拉弯耦合效应等对层合板后屈曲性能的影响。研究发现层合板的屈曲载荷受铺设角度与层数的影响较为显著,而拉弯耦合效应使板的屈后强度大大降低。     

考虑制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲

假设纤维方向角沿层合板的长度方向线性变化,研究含丝束重叠、间隙等制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲问题。采用ABAQUS有限元软件建立层合板的有限元模型,选用S4壳单元计算四边简支层合板在两端压缩荷载作用下的屈曲临界荷载及屈曲模态,并进行详细的参数分析。研究结果表明:当起始角相同时,含或不含制作缺陷的层合板的屈曲临界荷载均随着终止角的增大而逐渐提高,说明纤维的不同铺设方式对层合板的屈曲性能有很大影响。含重叠缺陷的层合板的屈曲临界荷载均大于不含缺陷层合板的值,而含间隙缺陷的层合板的屈曲临界荷载均小于不含缺陷层合板的值。当层合板的重叠、间隙缺陷共存且面积相等时,层合板的屈曲临界荷载与不含缺陷时层合板的值接近,制作缺陷对变角度纤维复合材料层合板屈曲模态的影响较小。本文研究结果可为含缺陷的变角度纤维复合材料层合板设计提供一定参考。     

含有分层损伤的复合材料加筋层合板的屈曲性态研究

基于Ｍｉｎｄｉｎ假定推导了考虑剪切的复合材料加筋层板的有限元列式,并在此基础上计算出筋间基板含嵌入分层以及筋与基板连接处含穿透分层的加筋层合板在受压缩载荷情况下的屈曲模式和临界力。本文所给出的有限元方法及结论对从事复合材料结构设计的工程人员具有参考价值。     

基于宏观三角形分区平板壳单元的非线性有限元分析

针对剪切闭锁效应,本文研究了一种基于假设自然应变方法的宏观三角形分区平板壳单元。利用通用有限元软件ABAQUS所提供的用户自定义单元(UEL)和用户自定义材料(UMAT)子程序,本文将宏观三角形分区平板壳单元和基于损伤能释放率的混凝土弹塑性损伤本构模型成功嵌入了ABAQUS的主分析模块。经典试验McNeice双向混凝土板的数值模拟结果表明:宏观三角形分区平板壳单元对于描述板壳结构的非线性损伤行为是行之有效的。     

Nonlinear thermo-elastic buckling characteristics of cross-ply laminated joined conical–cylindrical shells

Here, the nonlinear thermo-elastic buckling/post-buckling characteristics of laminated circular conical–cylindrical/conical–cylindrical–conical joined shells subjected to uniform temperature rise are studied employing semi-analytical finite element approach. The nonlinear governing equations, considering geometric nonlinearity based on von Karman’s assumption for moderately large deformation, are solved using Newton–Raphson iteration procedure coupled with displacement control method to trace the pre-buckling/post-buckling equilibrium path. The presence of asymmetric perturbation in the form of small magnitude load spatially proportional to the linear buckling mode shape is assumed to initiate the bifurcation of the shell deformation. The study is carried out to highlight the influences of semi-cone angle, material properties and number of circumferential waves on the nonlinear thermo-elastic response of the different joined shell systems.     

变厚度中厚板和中厚壳的大挠度分析

采用摄动有限元法分析了变厚度中厚板和中厚壳的大挠度问题。文中借助虚功原理导出了这类板壳的一般非线性有限元方程，同时利用摄动展开求得了逐级摄动有限元的递推算式。算例表明，摄动有限元法分析变厚度中厚板壳问题同样能获得效率高精度好的结果。     

Corotational nonlinear analyses of laminated shell structures using a 4-node quadrilateral flat shell element with drilling stiffness

A new 4-node quadrilateral flat shell element is developed for geometrically nonlinear analyses of thin and moderately thick laminated shell structures. The fiat shell element is constructed by combining a quadrilateral area co- ordinate method （QAC） based membrane element AGQ6- II, and a Timoshenko beam function （TBF） method based shear deformable plate bending element ARS-Q12. In order to model folded plates and connect with beam elements, the drilling stiffness is added to the element stiffness matrix based on the mixed variational principle. The transverse shear rigidity matrix, based on the first-order shear deformation theory （FSDT）, for the laminated composite plate is evaluated using the transverse equilibrium conditions, while the shear correction factors are not needed. The conventional TBF methods are also modified to efficiently calculate the element stiffness for laminate. The new shell element is extended to large deflection and post-buckling analyses of isotropic and laminated composite shells based on the element independent corotational formulation. Numerical re- sults show that the present shell element has an excellent numerical performance for the test examples, and is applicable to stiffened plates.     

含内埋矩形脱层复合材料圆柱壳屈曲分析的混合变量条形传递函数方法

提出了一种分析含内埋矩形脱层正交各向异性圆柱壳稳定性问题的混合变量条形传递函数方法。首先基于Mindlin一阶剪切壳理论,通过定义圆柱壳的广义力变量和混合变量,建立了壳的改进混合变量能量泛函;然后,为了便于脱层壳的分区求解,通过引入条形单元,创建了基于混合变量条形传递函数解的含脱层和不合脱层两种超级壳单元;在此基础上,将含内埋矩形脱层的复合材料层合壳划分成两种超级壳单元的组合体,通过各超级壳单元相互之间连接结点处的位移连续和力平衡条件得到脱层壳的屈曲方程;最后由屈曲方程计算含内埋矩形脱层壳的屈曲载荷和屈曲模态。算例分析的结果验证了本方法的正确性,并给出了几种因素对屈曲载荷和屈曲模态的影响。     

一类非线性系统载荷识别的组合迭代法

针对一类非线性系统提出了一种新的载荷识别方法,组合迭代法.该方法通过有限元方法和主动控制方法组合迭代来实现一类非线性系统的载荷识别.首先将非线性系统的有限元模型模态缩减成简化模型,由简化模型组成主动控制的被控对象;然后在选定的控制律下,设计控制调节器,使该系统监测点的响应功率谱密度达到预定谱,从而得到系统激励,即被识别的载荷;最后由非线性有限元响应验证载荷的合理性.对圆锥壳-包带组合系统载荷识别的数值研究表明了组合迭代法的有效性.该方法为导弹、宇宙飞船、航天飞机、火箭等航天航空结构振动试验的载荷识别提供指导作用,将促进航天航空事业的发展.     

Thermally induced wrinkling in orthotropic layered plates with irregular delaminations

Delaminated regions figure prominently among potential threats to the structural integrity of layered plate configurations. Under a certain thermal loading threshold, geometrically nonlinear local instabilities in the form of buckling or wrinkling across the delaminated region crop up, giving rise to markedly amplified distributions of contour peeling stresses. The present paper aims to shed light on and quantify the manifold aspects and implications of the delamination-thermal-wrinkling trio. The paper faces the challenges of handling the nature of the layered configuration, the inherent geometrical irregularity of delaminated regions, the discontinuous interfacial conditions, the 3D stress state along the delamination contour, and the nonlinear evolution of local instabilities across an orthotropic delamination. For that purpose, a specially tailored 2D multi layered plate model and a corresponding triangular finite element are derived. The original contribution of the proposed model is in its ability to capture the thermally-driven, nonlinear small scale phenomena related to geometrically nonlinear response of the layered structure, using a 2D multi-layered plate theory solved with efficient 2D multi-layered triangular finite elements, as opposed to computationally expensive 3D finite element analysis. This is accomplished via the integration and synergy of methodologies that include: multi-layered high order plate theory to account for the layered layout, geometrically nonlinear strain-displacement relations to account for geometrical nonlinearities, orthotropic and thermo-elastic constitutive laws to account for thermal loads, and interlayer interface modelling which, combined with a the shear-locking free triangular FE, allows accounting for arbitrarily shaped delaminations. The model is validated against a 1D closed form solution and a 3D continuum based finite element analysis and is then used for a numerical study. In the study, the onset and the evolution of local instabilities in an adhesively bonded orthotropic layer across an irregular delamination are looked into. Special attention is given to the significant influence of material orthotropy and the relative directionality of the delamination on the threshold thermal load, the nonlinear wrinkling patterns, and the peeling traction distribution.     

带旋转自由度C^0类任意四边形板（壳）单元

基于Ｒｅｉｓｓｎｅｒ－Ｍｉｎｄｉｌｉｎ板弯曲理论和Ｖｏｎ－Ｋａｒｍａｎ大挠度理论,采用单元域内和边界位移插值一致性的概念,将四节点等参弯曲单元与Ａｌｌｍａｎ膜变形二次插值模式相结合,对层合板壳的大挠度分析提供了一种实用的带旋转自由度的四节点Ｃ＾０类板单元。大量算例表明：该单元对板壳结构的线性强度、稳定性和后屈曲分析都表现出良好的收敛性和足够的工程精度。     

半解析有限元法分析非线性粘弹体在板材模具中的流动

聚合物熔体在模具中的均匀性决定板材成型的质量。熔体具有非线性记忆性的粘弹效应,同时流道十分复杂。为准确、简便地分析熔体流动情况,针对板材机头流道的特点,提出了流动计算新的方法——有限柱半解析法,即在流道的厚度方向采用富氏级数描述流动分布,把三维有限元方程简化成为二维,得到以流量和压力为未知量的有限元方程。同时采用K-BKZ积分型本构模型描述熔体的非线性记忆性,给出求解非线性方程组的迭代方法,取得较好的收敛性。对两种典型的板材模具进行了分析计算,得出模具出口处的流量分布,通过把结果与三维有限元分析的结果相比较,表明该方法可以准确地分析板材模具中熔体的流动。     

空间杆系与叠层板组合结构的非线性稳定分析

本文用非线性有限元法研究一种空间杆系与复合材料叠层板组合结构的非线性稳定问题。将杆系离散成空间梁柱单元，将复合材料叠层板离散成复合材料叠层板单元，并考虑了几何非线性和板的成层正交各向异性性质。为了获得较高的计算效率并顺利通过稳定临界点，求解非线性平衡方程采用了变增量步长和柱面弧长法迭代策略。在考证了程序的正确性之后，具体分析了几个工程模型，得出了于工程设计有益的结论。