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。     

复合材料襟翼壁板屈曲失稳行为的栅线投影实验研究

本文利用栅线投影测量方法研究了蜂窝夹层板、工字型及T型加筋板三种不同结构形式复合材料襟翼壁板在压缩载荷下的屈曲失稳行为,得到了不同形式结构件屈曲的全场离面位移分布规律,分析了各自的屈曲失稳模式.研究结果表明,栅线投影测量方法在大尺度复合材料结构失稳变形测试中具有可行性;在相同面板尺寸条件下,工字型加筋复合材料襟翼壁板屈曲临界载荷最大,承载能力最强.本文结果可为飞机复合材料结构设计提供实验依据.     

金属和复合材料加筋板壳承载能力的计算

本文探讨有缺陷的金属和复合材料加筋板壳的面板在局部屈曲前后的有效刚度问题,给出了金属和复合材料的加筋平板和圆柱曲板在外载作用下面板先发生局部屈曲或局部屈曲载荷与整体屈曲载荷相近时承载能力的近似计算方法。     

不同长桁截面复合材料加筋板轴压屈曲分析

基于轴向压缩载荷工况,加筋板重量相同、长桁轴线间距相等、长桁截面占比相当的前提,采用试验和数值计算方法研究“I”形加筋板和“J”形加筋板屈曲特性及其失效模式。研究结果表明：“I”形加筋板与“J”形加筋板抗屈曲承载能力相当,后屈曲承载能力较“J”形加筋板提高约19.8%;特征值屈曲法计算值较试验值误差约11%,究其主要原因是特征值理论不考虑加载过程中长桁刚度对蒙皮支持变弱的影响,故其计算值较试验值偏大;考虑就地效应及横向应力分量对基体剪切强度的影响,构建加筋板失效模型,计算值与试验值误差约8%,且预测的失效模式与试验破坏模式一致性较好。     

含预置损伤复合材料加筋板的单轴压缩屈曲分析

通过试验和有限元方法分析了单轴压缩下加筋板的失效模式.研究了三种预置损伤位置及四种损伤尺寸的复合材料T型加筋板的线性及非线性屈曲行为,比较了损伤对临界屈曲载荷和最大失效载荷的影响.研究结果表明:损伤位置在桁条间蒙皮时,损伤的尺寸对其临界屈曲载荷和最大失效载荷影响较小;损伤位置在桁条区蒙皮时,加筋板的临界屈曲载荷随损伤尺寸的增加而明显降低,最大降低50%;损伤位置在桁条边凸缘处蒙皮时,加筋板最大失效载荷所受影响随损伤尺寸的增加而明显降低,最大降低25%.从而得到了复合材料加筋板临界屈曲载荷比和最大失效载荷比与损伤位置及尺寸的关系图.     

稳定性试验平台的研制与试验研究

板和加筋板是组成船体的主要结构,精确预报板和加筋板的强度是确保船舶结构安全性的一个关健问题.文章基于结构稳定性理论,设计了一套稳定性试验平台,使其能够完成板、加筋板的稳定性试验.以板为试验研究对象,进行了稳定性试验,得到了各组试验的临界载荷;利用弹塑性理论推导了各组板试件的屈曲临界载荷.通过试验值和理论值的对比分析,验...     

夹具对复合材料加筋板剪切试验屈曲载荷的影响

复合材料加筋板在剪切载荷作用下的屈曲和后屈曲性能试验是难度较高的结构试验,载荷通常需要由设计合理的夹具传递到试件上,本文采用的是对拉式的剪切试验夹具.在试验中,由于引入的夹具是弹性体,与试件结合成一体,参与了屈曲过程,所以与理想的约束情况有差异.本文采用数值方法,模拟夹具对试验结果的影响,发现不同的夹持模型,对屈曲载荷...     

CFRP加筋板剪切稳定性试验和数值分析模型研究

为研究数值模型对碳纤维增强复合材料(CFRP)加筋板面内剪切稳定性试验计算结果的影响,采用画框式夹具对CFRP加筋板进行了屈曲试验,获得了初始屈曲载荷和载荷-应变曲线;同时基于ABAQUS有限元软件建立了四种数值模型,分别进行线性屈曲和非线性屈曲分析,通过将计算结果与试验结果的比较,确定了有效的数值模型．在此基础上,通过对屈曲前、后有效区边界上的内力分布的比较分析,明确了夹具的传力效果、试件真实的受力状态,以及偏差产生原因．     

辛方法在弹性圆板屈曲问题中的应用

在辛几何空间中将临界载荷和屈曲模态归结为辛本征值和本征解问题,从而形成一种辛方法.研究和讨论了轴对称屈曲和非轴对称屈曲问题,它们分别属于零本征值问题和非零本征值问题.以弹性圆板屈曲问题作为研究对象,借助于系统的能量构造出哈密顿体系,得到了该体系下的所有的本征解.数值结果给出了圆板和圆环板问题的临界载荷和屈曲模态.数值结果表明:对应低阶屈曲模态的临界载荷相对较小且屈曲模态在周向的波纹数也较少,说明在屈曲过程中低阶屈曲模态容易出现,特别是轴对称屈曲更容易发生;对应较大分支数的临界载荷,其值相对较大且屈曲模态在径向的波纹更加复杂;同时物理常数和几何参数也会直接影响临界载荷的大小.     

复合材料加筋板极限压缩承载能力可靠性分析

基于Abaqus软件用户子程序,利用渐进失效分析方法对复合材料加筋板极限压缩承载能力进行预测。算例分析表明,对于加筋板1和2,本文方法给出的极限压缩强度与实验结果的误差分别为2.53%和1.68%。在结构可靠性分析过程中,为提高计算效率,利用屈曲载荷与极限压缩强度之间的关系建立功能函数,只需对极限压缩承载能力进行一次分析。对于加筋板1和2,本文方法相对经典可靠性方法的计算误差分别为-1.04%和-1.01%,计算时间仅为经典可靠性方法的1.18%和1.66%。     

网格型整体加筋柱形曲板的屈曲试验

本文介绍了柱形曲板的屈曲试验方法.试验了铝合金LY12-CZ 整体网格型筋条的36个试件,试验载荷是均匀轴压,均匀剪切,轴压与内压复合以及轴压与剪切复合.在弹性薄壳小挠度理论基础上,运用伽辽金法进行柱形曲板的屈曲分析;与简支整体加筋曲板的试验结果相比较有较好的一致性.     

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。     

水下爆炸载荷作用下环肋加筋圆柱壳结构的弹塑性动力屈曲

为研究水下爆炸载荷作用下潜艇结构的动力屈曲现象,以潜艇耐压结构的简化模型环肋加筋圆 柱壳结构为研究对象,建立流固耦合有限元分析模型,应用瞬态有限元分析程序MSC.Dytran对该结构在水 下爆炸冲击载荷作用下的弹塑性动力屈曲行为进行研究,基于Budiansky-Roth准则和Southwell方法确定环 肋加筋圆柱壳结构的临界屈曲载荷,讨论结构动力屈曲的影响因素如载荷强度、网格密度、径厚比、长径比、加 筋截面间距、加筋尺寸等对环肋加筋圆柱壳结构动屈曲模态和临界屈曲载荷的影响。结果表明:采用建立的 流固耦合有限元分析模型,应用动力瞬态有限元软件MSC.Dytran可以对加筋圆柱壳结构的动力屈曲行为进 行模拟,模型网格尺寸大小、结构几何参数对结构的动力屈曲临界载荷都有一定的影响,其中加筋圆柱壳结构 的径厚比对结构的动力屈曲临界载荷影响最为显著。     

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．     

不同应变率下冰破坏特性的试验研究

为研究寒区流冰对水工/船舶结构的影响,需要获得不同流速冰载荷的特征,准静态下不同应变率条件下冰材料变形至破坏的特征就成为一项重要的基础性问题。为此,开展了低温环境应变率10-2s-1至10-4s-1下淡水冰的单轴压缩试验。试验发现:随着应变率减小,极限应力由18.51MPa降低至8.44MPa,达到极限应力后,试件承载能力由瞬间消失变为逐渐降低至稳态,试件破坏形貌由劈裂转变为周向膨胀,即由脆性转变为韧性破坏,转变应变率约为10-3s-1;在双对数坐标系中,单轴压缩强度随应变率的增加近似呈线性增大。通过对应力-应变曲线进行积分,给出了不同破坏形式下冰变形至破坏的临界应变能密度,发现脆/韧转变状态下加载至破坏所需能量最大,该能量特征主要由冰中微裂纹的萌生、断面摩擦、再结晶引起。     

工字型加筋复合材料壁板的压缩屈曲行为实验研究

在复合材料结构整个屈曲承载过程中,从微观开始发生局部的纤维断裂、基体微裂纹等损伤,并随着屈曲程度的增加和屈曲模式的转化逐渐发生分层扩展。采用实验与数值计算相结合的方法,本文研究了工字型加筋壁板复合材料结构在压缩载荷作用下的屈曲行为。采用无损光学手段来非接触检测壁板表面的全场屈曲挠度,捕捉屈曲模态演化过程。基于有限元的数值模拟,预测了工字型加筋壁板复合材料结构的屈曲与后屈曲行为,用定量的实验数据来对比数值预测的壁板屈曲形态,表明实验和数值结果的离面挠度分布具有一致性。     

碳/碳复合材料T型悬臂梁弯曲失效分析

首次对碳/碳复合材料T型结构件进行了悬臂梁弯曲试验。通过化学气相沉积工艺制备了宽度为40mm的T40试件和宽度为50mm的T50试件,分别对两种试件的损伤失效模式和弯曲应力进行了研究;根据结构破坏区域的应变随载荷增加的变化规律,得到了结构在弯曲过程中的损伤失效进程。结果发现,在悬臂梁弯曲载荷作用下,结构处于正应力和剪应力耦合状态,耦合应力会使宽厚比较小的结构件容易在腹板根部出现局部失稳现象。应用横力弯曲理论对结构破坏截面上腹板边缘的正应力和面内剪切应力进行了简单计算。结果表明:屈曲失效的T50试件比剪切型破坏的T40试件的最大弯曲正应力小22.93%,说明屈曲失效会使结构的弯曲强度大幅下降;而T50试件的最大剪切应力比T40试件的高31.46%,说明屈曲失效主要由材料的剪切性能控制。最后通过有限元方法对T50试件在发生剪切型破坏时的最大弯曲正应力进行了计算,计算结果与试验中发生压缩剪切破坏的T40试件相比仅相差3%,可以较好地表征T50试件的弯曲强度。     

基于模态缺陷的受压球壳屈曲特性研究

针对受压球壳非线性屈曲过程,对含初始缺陷受压球壳的稳定性进行研究。根据EN1993-1-6（2007）规范,给出不同制造等级壳体的等效缺陷值计算方法;基于线性特征值分析的模态构型给出初始缺陷的分布。利用非线性有限元弧长法对球壳受压失稳过程进行数值模拟,得到屈曲前后球壳变形情况及全过程载荷-位移曲线。计算一致缺陷模态法和N阶缺陷模态法对应的球壳屈曲临界载荷,结果表明,受压球壳对缺陷较敏感,承载能力随缺陷值增大而降低;一致缺陷模态法计算便捷,在工程应用上具有合理性,N阶缺陷模态法考虑高阶模态缺陷构型,结果更加全面,可以为工程中缺陷结构稳定性设计提供参考。     

加强筋的扭转刚度对受压加筋板稳定性的影响

对于在受压边筒支，纵向加筋的受压加筋板，本文给出了求解临界载荷的特片方程的精确形式，并用解析方法详细地分析了加强筋的扭转刚度对临界载荷和失稳模态的影响；指出了影响程度与加强筋的弯曲刚度及板的几何参数之间的关系。     

在均匀横向载荷作用下蜂窝夹层园柱曲板蜂格剪切失稳的实验

蜂窝夹层结构是一种比较好的结构型式。蜂窝园柱曲板在均匀横向载荷作用下,承载能力的问题是飞机设计中常会遇到的实际问题。本报告通过实验,观察了四边滑动简支蜂窝曲板丧失承载能力的现象和过程,又从理论上计算了蜂窝曲板在均匀横向载荷作用下,靠近边界的蜂格壁板剪切失稳的临界载荷,并与实验测得的试件丧失承载能力时的最大载荷(简称流动载荷)进行了比较。结果表明:后者比前者大4倍左右。