復(fù)合材料圓柱殼的動力響應(yīng)及動力屈曲研究.pdf

1、復(fù)合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)在諸多工程領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。越是復(fù)雜、極端的工作環(huán)境，越能體現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特性，所以復(fù)合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)常見于航空航天、海洋工程、能源運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。而對于這些領(lǐng)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)，靜強(qiáng)度校核已經(jīng)不能滿足要求，必須考察復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的動力強(qiáng)度，因此近年來，復(fù)合材料圓柱殼的動力性能研究受到許多學(xué)者的關(guān)注。 本文應(yīng)用近代復(fù)合材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論，綜合近年來國內(nèi)外在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)動力學(xué)方面取得的進(jìn)展，從潛艇、魚雷、火

2、箭、導(dǎo)彈、輸水輸油管道以及液罐等結(jié)構(gòu)形式中抽象出圓柱殼力學(xué)分析模型；在此基礎(chǔ)上建立非線性動力方程并采用半解析法對方程進(jìn)行了求解，考慮幾何非線性、橫向剪切變形的影響，對復(fù)合材料的鋪層方式、圓柱殼的幾何參數(shù)、初始幾何變形、脫層損傷、環(huán)向加筋以及流固耦合等因素對復(fù)合材料圓柱殼的動力響應(yīng)及動力屈曲的影響進(jìn)行了廣泛深入探討。力求為各種工作環(huán)境中的復(fù)合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)的動力研究提供更為合適的計(jì)算方法和理論依據(jù)，并求解多種環(huán)境下復(fù)合材料圓柱殼的動力特性

3、，由此也得到許多有益的結(jié)論，豐富復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容，有助于復(fù)合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。本文主要內(nèi)容以及創(chuàng)新點(diǎn)包括： 首先全面回顧和總結(jié)了線性和非線性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自由振動、動力響應(yīng)及動力屈曲問題的研究現(xiàn)狀。對該領(lǐng)域內(nèi)的研究歷史、目前的研究熱點(diǎn)及未來的研究趨勢都作了詳細(xì)的討論，最終確定了本文的主要研究內(nèi)容，即對復(fù)合材料圓柱殼非線性動力響應(yīng)及動力屈曲進(jìn)行深入研究，并在初始幾何變形、脫層損傷、環(huán)向加筋及流固耦合等方面進(jìn)行詳細(xì)的

4、計(jì)算和分析。 本文將半解析法應(yīng)用于復(fù)合材料圓柱殼非線性動力響應(yīng)及動力屈曲研究的各個(gè)方面，如初始幾何變形、環(huán)向加筋、脫層損傷以及流固耦合等，大大擴(kuò)展了半解析法在復(fù)合材料動力研究領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。動力方程的建立是以一階剪切變形理論為基礎(chǔ)，考慮幾何非線性、初始幾何缺陷、橫向剪切變形的影響，再由Hamilton變分原理推導(dǎo)得到復(fù)合材料圓柱殼的非線性動力控制方程；采用半解析法對方程進(jìn)行求解，即將位移和載荷沿圓柱殼的周向以Fourier級數(shù)展

5、開，再利用三角函數(shù)的正交性，以Galerkin法將非線性方程組轉(zhuǎn)換為一個(gè)二階偏微分方程組，從而使該非線性動力方程成功降維；對二階偏微分方程的求解采用有限差分法，在圓柱殼的軸向上采用通常的中心差分格式，在時(shí)間域上采用Park三階隱式差分格式，該差分格式的數(shù)值穩(wěn)定性非常好。事實(shí)證明，半解析法在可以解析的方向上盡量解析離散，減小計(jì)算量，提高數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性，降低累積誤差；在不能解析求解的方向上采用數(shù)值計(jì)算，發(fā)揮數(shù)值方法的長處，擴(kuò)大了該

6、解法的適用范圍；半解析法綜合了解析求解和數(shù)值計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，有著自己鮮明的特點(diǎn)，可以對眾多參數(shù)進(jìn)行研究。以類似B-R準(zhǔn)則的方法判斷復(fù)合材料圓柱殼動力屈曲的發(fā)生，得到研究對象的動力屈曲臨界載荷。結(jié)果表明，采用B-R準(zhǔn)則判定動力屈曲必須在時(shí)間域上進(jìn)行足夠多個(gè)時(shí)間步的計(jì)算才能得到準(zhǔn)確的動力屈曲臨界載荷。 以初始幾何缺陷的概念將初始幾何變形引入復(fù)合材料圓柱殼非線性動力方程中，并進(jìn)一步對初始模態(tài)變形、初始淺槽變形以及局部變形等進(jìn)行了計(jì)算和分析

7、。結(jié)果表明，初始幾何變形對復(fù)合材料圓柱殼動力響應(yīng)及動力屈曲的影響是非常明顯的，但不同類型、深度、形狀、位置的初始幾何變形對復(fù)合材料圓柱殼動力性能的影響也各不相同。本文力求以簡明的方式引入初始幾何變形，計(jì)算并分析了多種初始幾何變形對復(fù)合材料圓柱殼動力性能的影響。 含脫層損傷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的非線性動力問題是一個(gè)復(fù)雜的研究課題。本文建立了一個(gè)包含幾何變形、脫層、子層基體損傷在內(nèi)的理論分析模型，并針對該理論模型推導(dǎo)了含損傷的復(fù)合材料圓柱殼

8、非線性動力方程，并采用半解析法求解，得到了含損傷復(fù)合材料圓柱殼動力響應(yīng)的數(shù)值解，討論了脫層損傷及幾何變形伴隨脫層損傷等對復(fù)合材料圓柱殼動力性能的影響。結(jié)果表明脫層損傷對結(jié)構(gòu)的動力承載能力影響很大，而幾何變形對脫層損傷影響的增強(qiáng)作用在大多情況下也是不容忽視的。 對環(huán)向加筋復(fù)合材料圓柱殼的動力響應(yīng)及動力屈曲進(jìn)行研究，探討不同環(huán)向加筋形式對復(fù)合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)承載能力的影響。本文以δ函數(shù)引入環(huán)向加筋，建立含環(huán)向加筋的復(fù)合材料圓柱殼非線性

9、動力方程，并以半解析法對方程進(jìn)行了求解。針對圓柱殼結(jié)構(gòu)水平入水的最危險(xiǎn)姿態(tài)建立分析模型，研究了徑向載荷作用下的環(huán)向加筋復(fù)合材料圓柱殼的非線性動力響應(yīng)及動力屈曲問題，考慮了殼體橫向剪切變形以及加筋肋骨的拉伸、彎曲和剪切變形的影響；根據(jù)不同載荷幅值下的動力響應(yīng)情況，以B-R準(zhǔn)則判定屈曲是否發(fā)生，確定復(fù)合材料環(huán)向加筋圓柱殼的動力屈曲臨界載荷，并且討論了加筋形式及鋪設(shè)角等因素對動力屈曲臨界載荷的影響，得到了許多很有意義的結(jié)論。 對浸潛于

10、流體中的有限長復(fù)合材料圓柱殼的動力響應(yīng)及動力屈曲問題進(jìn)行了研究。以一階剪切變形理論為基礎(chǔ)，建立復(fù)合材料圓柱殼的非線性動力方程，假定圓柱殼在無粘、無旋和不可壓縮流體中受不同形式外載荷作用，綜合考慮了流體動壓力和沖擊壓力的共同作用。針對半解析法的求解特點(diǎn)，推導(dǎo)了二維勢流的速度勢函數(shù)，得到圓柱殼與流體界面受到的動壓力；以半解析法求解了考慮流固耦合效應(yīng)的非線性動力方程，得到流體中復(fù)合材料圓柱殼的非線性動力響應(yīng)情況，并進(jìn)一步用B-R準(zhǔn)則判定動力屈

11、曲的發(fā)生；討論了浸潛于流體中，復(fù)合材料圓柱殼在各種形式載荷作用下的動力響應(yīng)，流固耦合效應(yīng)對復(fù)合材料圓柱殼動力承載能力的影響以及不同幾何參數(shù)下的復(fù)合材料圓柱殼對流固耦合效應(yīng)的敏感性。 由于復(fù)合材料的各向異性、圓柱殼的幾何非線性、橫向剪切變形以及初始幾何缺陷的影響，考慮了初始幾何變形、損傷、加筋以及流固耦合效應(yīng)的復(fù)合材料圓柱殼的非線性動力問題非常復(fù)雜，對該問題進(jìn)行求解是相當(dāng)困難的。本文以復(fù)合材料圓柱殼的非線性動力響應(yīng)及動力屈曲問題為