復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)熱-力作用下的屈曲特性

薄壁結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天石化、交通等領(lǐng)域，其主要失效形式是屈曲失效。本項(xiàng)目主要內(nèi)容及結(jié)果：針對(duì)復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)局部幾何缺陷或局部受熱的情形，通過(guò)理論、仿真及實(shí)驗(yàn)方法，研究缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響，評(píng)估缺陷對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)失效的影響規(guī)律。具體包括： (1) 薄板結(jié)構(gòu)局部升溫響應(yīng)規(guī)律以及燒蝕擴(kuò)展的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究。建立了薄壁結(jié)構(gòu)局部升溫及燒蝕的理論分析、數(shù)值仿真模型，采用半解析方法及有限元方法對(duì)局部受熱作用下板的位移和熱應(yīng)力進(jìn)行分析，研究了幾何及材料參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。以強(qiáng)激光作為局部升溫?zé)嵩?，測(cè)試并模擬強(qiáng)熱源作用下薄壁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。構(gòu)造面單元加載熱流，考慮局部燒蝕噴射阻擋激光輻照，解釋了材料的實(shí)際燒蝕熱遠(yuǎn)大于理想狀態(tài)下模擬燒蝕熱的原因，在燒蝕模擬模型中設(shè)置遮罩系數(shù)，使模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，對(duì)準(zhǔn)確分析強(qiáng)熱作用薄壁結(jié)構(gòu)具有重要參考意義。 (2) 幾何缺陷及局部升溫對(duì)薄板結(jié)構(gòu)屈曲承載力的影響研究。以薄板的非線性屈曲理論為基礎(chǔ)，計(jì)算薄板結(jié)構(gòu)屈曲載荷，分析邊界條件、開(kāi)孔形狀（圓形、正方形以及正三角形）、尺寸及角度等幾何缺陷對(duì)薄板結(jié)構(gòu)屈曲承載力的影響。分析了局部升溫各因素對(duì)結(jié)構(gòu)屈曲承載力的影響規(guī)律。為了準(zhǔn)確分析模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能，測(cè)試了耐熱碳纖維/樹(shù)脂 (MT300/PMR) 復(fù)合材料層合板的高溫性能。研究熱－力共同作用對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載能力的影響。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)方法和裝置，測(cè)試了MT300/PMR的高溫（拉、壓、彎、剪、層剪）力學(xué)性能，為結(jié)構(gòu)高溫失效模擬提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)缺陷薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲失效進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)制作了典型開(kāi)孔的鋁合金板試件及復(fù)合材料鋪層板試件近百余件，試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬與理論分析規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證。 (3)拓展研究范圍到加筋薄壁結(jié)構(gòu)屈曲優(yōu)化、夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、功能梯度材料分析優(yōu)化及各向異性介質(zhì)波導(dǎo)不連續(xù)問(wèn)題等。改進(jìn)ESO優(yōu)化方法，建立加筋薄板結(jié)構(gòu)的離散變量?jī)?yōu)化模型并獲得筋條布局規(guī)律，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論研究及工程應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。針對(duì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，構(gòu)建承載力最大優(yōu)化模型，豐富點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)單胞設(shè)計(jì)理論和方法。針對(duì)竹材這種功能梯度材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論分析與數(shù)值模擬，獲得了結(jié)構(gòu)承載能力的優(yōu)越性，為仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。針對(duì)各向異性介質(zhì)波導(dǎo)問(wèn)題，譜單元法與精細(xì)積分法相結(jié)合，對(duì)含有各向異性介質(zhì)波導(dǎo)問(wèn)題導(dǎo)入哈密頓體系利用精細(xì)積分法進(jìn)行求解。獲得高準(zhǔn)確度的 2100433B

薄壁結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，其主要失效形式是屈曲。薄壁結(jié)構(gòu)缺陷敏感性的研究遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求，尤其對(duì)具有局部幾何缺陷、局部材料性能變化、局部升溫等缺陷的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，研究局部升溫及局部缺蝕或燒蝕受壓復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲特性。首先采用無(wú)網(wǎng)格光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法模擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)局部受熱或激光輻照燒蝕的響應(yīng)過(guò)程。在屈曲分析方面，首先用突變理論分析簡(jiǎn)單平板局部升溫對(duì)結(jié)構(gòu)屈曲的影響。針對(duì)更復(fù)雜情形，采用數(shù)值方法尋找?guī)缀稳毕?、局部升溫及兩種缺陷聯(lián)合作用對(duì)結(jié)構(gòu)屈曲性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果將為復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)局部升溫、局部材料性能變化、相變邊界擴(kuò)展以及燒蝕噴射過(guò)程的描述獲得更有效方法；清晰描述復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)多種局部缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)屈曲特性的影響過(guò)程；分析熱－力聯(lián)合作用下含缺蝕復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲失效特性，豐富缺陷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論及工程計(jì)算方法。

強(qiáng)動(dòng)載下復(fù)合材料加筋板的動(dòng)力屈曲特性的研究，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目針對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）加筋板結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析，研究強(qiáng)動(dòng)載下CFRP復(fù)合材料加筋板的動(dòng)力屈曲特性，考慮對(duì)材料性能影響顯著的應(yīng)變率效應(yīng)和復(fù)合材料固有的損傷特性。主要研究?jī)?nèi)容包括：高應(yīng)變率下CFRP復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)模型研究；建立CFRP復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)沖擊屈曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，提出高效的數(shù)值計(jì)算新方法，并通過(guò)動(dòng)力屈曲理論分析方法，全面研究CFRP復(fù)合材料加筋板的沖擊動(dòng)力屈曲特性，同時(shí)關(guān)注其損傷模式及其演化規(guī)律。本項(xiàng)目的研究試圖建立、發(fā)展和完善復(fù)合材料加筋板的動(dòng)力屈曲特性的研究方法和手段，揭示材料性能、結(jié)構(gòu)特性與復(fù)合材料加筋板的動(dòng)力屈曲特性和損傷機(jī)理的內(nèi)在聯(lián)系，為其工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，力圖提升我國(guó)相關(guān)行業(yè)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究水平。

強(qiáng)動(dòng)載下復(fù)合材料加筋板的動(dòng)力屈曲特性的研究，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目針對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）加筋板結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析，研究強(qiáng)動(dòng)載下CFRP復(fù)合材料加筋板的動(dòng)力屈曲特性，考慮對(duì)材料性能影響顯著的應(yīng)變率效應(yīng)和復(fù)合材料固有的損傷特性。主要研究?jī)?nèi)容包括：高應(yīng)變率下CFRP復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)模型研究；建立CFRP復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)沖擊屈曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，提出高效的數(shù)值計(jì)算新方法，并通過(guò)動(dòng)力屈曲理論分析方法，全面研究CFRP復(fù)合材料加筋板的沖擊動(dòng)力屈曲特性，同時(shí)關(guān)注其損傷模式及其演化規(guī)律。本項(xiàng)目的研究試圖建立、發(fā)展和完善復(fù)合材料加筋板的動(dòng)力屈曲特性的研究方法和手段，揭示材料性能、結(jié)構(gòu)特性與復(fù)合材料加筋板的動(dòng)力屈曲特性和損傷機(jī)理的內(nèi)在聯(lián)系，為其工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，力圖提升我國(guó)相關(guān)行業(yè)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究水平。

本項(xiàng)目基于復(fù)合材料高階剪切變形理論，研究深海復(fù)合材料管線(包括立管和海管)的后屈曲和非線性振動(dòng)特性。首先，基于高階剪切變形理論和Kármán型大撓度應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，建立復(fù)合材料管線后屈曲和非線性振動(dòng)的宏-細(xì)觀力學(xué)模型；然后，使用解析法和數(shù)值解法相結(jié)合的方法，研究復(fù)合材料管線的后屈曲和非線性振動(dòng)特性，分析環(huán)境載荷、材料和幾何參數(shù)等因素對(duì)管線后屈曲行為和非線性振動(dòng)特性的影響；最后，在結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析基礎(chǔ)上，選擇合理的幾何、材料及設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為復(fù)合材料管線穩(wěn)定性設(shè)計(jì)以及動(dòng)力響應(yīng)控制提供基礎(chǔ)理論支撐。