濕熱環(huán)境反對稱鋪設(shè)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)性能及初始缺陷影響研究.pdf

1、反對稱鋪設(shè)圓柱殼結(jié)構(gòu)作為一種新型的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要由碳纖維或玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料通過反對稱鋪設(shè)制備而成。作為可伸縮和可延展結(jié)構(gòu)，其具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，能夠在外部加載時從一個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€穩(wěn)態(tài)，且其中的任一穩(wěn)定狀態(tài)不需要持續(xù)的能量輸入來維持。由于本身具有高強度、輕質(zhì)和可變形的優(yōu)點，在智能可變形結(jié)構(gòu)和能量收集等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。
　　然而，以雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)制造而成的產(chǎn)品在實際使用過程中不可避免地會受到

2、周圍變化的環(huán)境（例如溫度和濕度等）的影響。同時，雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有初始缺陷時會對其雙穩(wěn)態(tài)特性造成較大的影響。文獻調(diào)研表明，以上因素對反對稱鋪設(shè)圓柱殼的影響研究相對比較缺乏。因此，使用理論分析、有限元模擬以及實驗相結(jié)合的方法，研究溫度和濕度影響下的反對稱鋪設(shè)圓柱殼的雙穩(wěn)態(tài)特性;此外，采用有限元模擬方法研究具有初始缺陷的反對稱鋪設(shè)圓柱殼的雙穩(wěn)態(tài)特性。具體的研究內(nèi)容如下:
　　1.在經(jīng)典層合板理論的基礎(chǔ)上考慮溫度和濕度的影響，推導(dǎo)出

3、溫度和濕度影響下的雙穩(wěn)態(tài)理論模型。通過最小勢能原理預(yù)測反對稱鋪設(shè)圓柱殼結(jié)構(gòu)在溫度和濕度影響下的第一穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的扭曲率變化情況，以及第二穩(wěn)態(tài)曲率和扭曲率變化情況。最終，提出了一種通過溫濕調(diào)控兩個穩(wěn)態(tài)扭曲率的方法，并在理論上驗證了其可行性。
　　2.通過把不同反對稱鋪設(shè)圓柱殼試件浸泡在不同時間段、不同溫度的水浴鍋中以達到不同的溫度和濕度，之后在帶溫控箱的拉伸試驗機上進行加載，同時得到結(jié)構(gòu)形狀尺寸。進而得到不同溫度和濕度下突變過程(Sna

4、p-through過程)的載荷—位移曲線，以及主曲率和扭曲率變化信息。此外，單獨考慮濕度影響進行了類似的實驗，得到其不同濕度下Snap-through過程的載荷—位移曲線和圓柱殼形狀尺寸變化規(guī)律。
　　3.通過有限元軟件ABAQUS進行反對稱鋪設(shè)圓柱殼結(jié)構(gòu)在不同溫度和濕度環(huán)境下穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過程的模擬，得到在不同溫度和濕度環(huán)境下Snap-through過程的載荷—位移曲線以及兩個穩(wěn)態(tài)的主曲率和扭曲率變化情況。最后，有限元模擬和理論、實驗

5、三者進行了對比，有限元模擬和理論結(jié)果對比誤差較小，而與實驗對比誤差相對較大。
　　4.使用有限元軟件ABAQUS對不同初始缺陷的反對稱鋪設(shè)圓柱殼結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的模擬，考慮包括多余樹脂層缺陷、厚度缺陷、鋪設(shè)角缺陷等初始缺陷因素。模擬結(jié)果表明這三種初始缺陷對圓柱殼結(jié)構(gòu)第二穩(wěn)態(tài)曲率和扭曲率，以及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷造成不同程度的影響。對于部分特殊初始缺陷的反對稱鋪設(shè)圓柱殼，結(jié)合有限元模擬和理論分析方法進行對比研究，兩者趨勢上對比吻合程度較好。