船舶與海洋工程中復合材料圓柱殼結(jié)構屈曲和后屈曲行為研究.pdf

1、纖維增強和編織復合材料是由基體和高性能的纖維材料根據(jù)實際需要組合而成的兩種復合材料，具有比強度高、比剛度大、易成型、易修補、材料性能可以設計等一系列優(yōu)點，適宜制造結(jié)構復雜的船型，可縮短建造周期，復合材料船艇的維護費用也低于鋼船和木船。圓柱殼結(jié)構是復合材料實際應用中最為常見的結(jié)構形式之一，比如海洋平臺的立管、輸水輸油管道、貯液罐、潛器、高速艦艇的推進器及魚雷的外殼等等。 近幾年，無論在復合材料及其結(jié)構的設計、制造和應用領域，還是在

2、復合材料及其結(jié)構力學問題的理論研究方面，國內(nèi)外發(fā)展迅速，取得很大進展。隨著制造工藝的改進，復合材料的各項性能指標不斷提高，許多工程結(jié)構中的主要受力構件已由復合材料制造，這些結(jié)構在使用過程中，有可能受到外部機械載荷的作用發(fā)生屈曲而出現(xiàn)承載能力下降甚至破壞的情況，因此復合材料結(jié)構的屈曲問題一直受到國內(nèi)外學者的關注。為了更加深入了解圓柱殼結(jié)構的屈曲和后屈曲特性，更好地發(fā)揮其在船舶和海洋工程結(jié)構中的作用，我們有必要應用邊界層理論對中等厚度的纖維

3、增強和編織復合材料剪切圓柱殼的屈曲和后屈曲特性進行研究。 本文的研究工作主要包括：將殼體屈曲的邊界層理論推廣運用到纖維增強各向異性層合剪切圓柱殼。分析中同時考慮前屈曲非線性變形，后屈曲大撓度和初始幾何缺陷的影響以及橫向剪切變形和耦合剛度的影響，采用奇異攝動方法給出完全各向異性層合圓柱剪切殼在軸壓、外壓和扭矩作用下的既滿足控制方程又在漸近意義上嚴格滿足邊界條件的后屈曲大撓度漸近解。通過對屈曲與后屈曲等一系列問題的求解和分析揭示中等

4、厚度各向異性層合圓柱殼結(jié)構在軸壓、外壓和扭矩作用下的后屈曲行為的規(guī)律，為復合材料結(jié)構的設計提供科學依據(jù)； 根據(jù)四步法1×1圓型編織工藝過程中編織紗線的運動軌跡特征和紗線的結(jié)構特點，將預成型件分為三個不同的區(qū)域，分別定義不同的控制體積單元，識別預成型件的局部單胞模型，分析預成型件的紗線構造，并推導出了編織結(jié)構參數(shù)之間的關系。編織結(jié)構主要的參數(shù)包括試件的外形尺寸、主體紗徑向?qū)訑?shù)和周向列數(shù)、三個區(qū)域各自所占的體積百分比、紗線填充因子(

5、缺省取為常數(shù))、纖維體積含量、編織角以及編織花節(jié)長度。在預成型件分析的基礎上，導出三維編織復合材料的局部單胞模型，分析復合材料的紗線構造，研究復合材料的編織結(jié)構參數(shù)之間的關系。從而，建立三維編織預成型件單胞彈性性能關系。采用三維應力.應變分析，在單胞的長度方向積分和平均，在給定的應變邊界條件下，采用剛度體積平均的方法計算了單胞的有效彈性性能，預測三維編織結(jié)構復合材料的有效彈性模量。在此基礎上提出一種三維四向編織復合材料圓柱殼的宏.細觀力

6、學模型。 在殼體屈曲的邊界層理論框架下，給出了三維編織復合材料圓柱殼在熱環(huán)境下和在軸壓、外壓、扭矩及軸壓和外壓復合加載作用下的大撓度漸近解。分析中同時考慮前屈曲非線性變形，后屈曲大撓度和初始幾何缺陷的影響，橫向剪切變形的影響，以及材料物性參數(shù)對溫度變化的依賴性。 基于本文理論分析，用Fortran語言編制了相應的數(shù)值分析程序包，在上述研究領域內(nèi)給出了大量的計算分析結(jié)果。 本文得到國家自然科學基金：“混合智能結(jié)構非