復合材料薄壁結(jié)構(gòu)熱-力作用下的屈曲特性項目摘要

薄壁結(jié)構(gòu)廣泛應用于航空航天等領(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不能滿足實際要求，尤其對具有局部幾何缺陷、局部材料性能變化、局部升溫等缺陷的復合材料結(jié)構(gòu)。本項目結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和實驗測試方法，研究局部升溫及局部缺蝕或燒蝕受壓復合材料薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲特性。首先采用無網(wǎng)格光滑粒子流體動力學方法模擬復合材料結(jié)構(gòu)局部受熱或激光輻照燒蝕的響應過程。在屈曲分析方面，首先用突變理論分析簡單平板局部升溫對結(jié)構(gòu)屈曲的影響。針對更復雜情形，采用數(shù)值方法尋找?guī)缀稳毕?、局部升溫及兩種缺陷聯(lián)合作用對結(jié)構(gòu)屈曲性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果將為復合材料薄壁結(jié)構(gòu)局部升溫、局部材料性能變化、相變邊界擴展以及燒蝕噴射過程的描述獲得更有效方法；清晰描述復合材料薄壁結(jié)構(gòu)多種局部缺陷對結(jié)構(gòu)屈曲特性的影響過程；分析熱－力聯(lián)合作用下含缺蝕復合材料薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲失效特性，豐富缺陷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論及工程計算方法。

薄壁結(jié)構(gòu)廣泛應用于航空航天石化、交通等領(lǐng)域，其主要失效形式是屈曲失效。本項目主要內(nèi)容及結(jié)果：針對復合材料薄壁結(jié)構(gòu)局部幾何缺陷或局部受熱的情形，通過理論、仿真及實驗方法，研究缺陷對結(jié)構(gòu)承載力的影響，評估缺陷對薄壁結(jié)構(gòu)失效的影響規(guī)律。具體包括： (1) 薄板結(jié)構(gòu)局部升溫響應規(guī)律以及燒蝕擴展的數(shù)值模擬與試驗研究。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局部受熱作用下板的位移和熱應力進行分析，研究了幾何及材料參數(shù)對結(jié)構(gòu)響應的影響。以強激光作為局部升溫熱源，測試并模擬強熱源作用下薄壁復合材料結(jié)構(gòu)的響應。構(gòu)造面單元加載熱流，考慮局部燒蝕噴射阻擋激光輻照，解釋了材料的實際燒蝕熱遠大于理想狀態(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)果與試驗結(jié)果基本吻合，對準確分析強熱作用薄壁結(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)，計算薄板結(jié)構(gòu)屈曲載荷，分析邊界條件、開孔形狀（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結(jié)構(gòu)屈曲承載力的影響規(guī)律。為了準確分析模擬復合材料結(jié)構(gòu)的高溫力學性能，測試了耐熱碳纖維/樹脂 (MT300/PMR) 復合材料層合板的高溫性能。研究熱－力共同作用對復合材料結(jié)構(gòu)承載能力的影響。設(shè)計了相應的試驗方法和裝置，測試了MT300/PMR的高溫（拉、壓、彎、剪、層剪）力學性能，為結(jié)構(gòu)高溫失效模擬提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對缺陷薄壁結(jié)構(gòu)的屈曲失效進行了實驗研究。設(shè)計制作了典型開孔的鋁合金板試件及復合材料鋪層板試件近百余件，試驗對數(shù)值模擬與理論分析規(guī)律進行了驗證。 (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)計優(yōu)化、功能梯度材料分析優(yōu)化及各向異性介質(zhì)波導不連續(xù)問題等。改進ESO優(yōu)化方法，建立加筋薄板結(jié)構(gòu)的離散變量優(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用作出貢獻。針對點陣夾芯結(jié)構(gòu)，構(gòu)建承載力最大優(yōu)化模型，豐富點陣夾芯結(jié)構(gòu)單胞設(shè)計理論和方法。針對竹材這種功能梯度材料，通過實驗測試、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)計提供依據(jù)。針對各向異性介質(zhì)波導問題，譜單元法與精細積分法相結(jié)合，對含有各向異性介質(zhì)波導問題導入哈密頓體系利用精細積分法進行求解。獲得高準確度的 2100433B

強動載下復合材料加筋板的動力屈曲特性的研究，具有重要的學術(shù)價值和現(xiàn)實意義。本項目針對碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRP）加筋板結(jié)構(gòu)，通過實驗研究、數(shù)值模擬和理論分析，研究強動載下CFRP復合材料加筋板的動力屈曲特性，考慮對材料性能影響顯著的應變率效應和復合材料固有的損傷特性。主要研究內(nèi)容包括：高應變率下CFRP復合材料的動態(tài)力學性能及本構(gòu)模型研究；建立CFRP復合材料加筋板結(jié)構(gòu)沖擊屈曲實驗測試平臺，提出高效的數(shù)值計算新方法，并通過動力屈曲理論分析方法，全面研究CFRP復合材料加筋板的沖擊動力屈曲特性，同時關(guān)注其損傷模式及其演化規(guī)律。本項目的研究試圖建立、發(fā)展和完善復合材料加筋板的動力屈曲特性的研究方法和手段，揭示材料性能、結(jié)構(gòu)特性與復合材料加筋板的動力屈曲特性和損傷機理的內(nèi)在聯(lián)系，為其工程應用提供理論指導，力圖提升我國相關(guān)行業(yè)的基礎(chǔ)和應用研究水平。

強動載下復合材料加筋板的動力屈曲特性的研究，具有重要的學術(shù)價值和現(xiàn)實意義。本項目針對碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRP）加筋板結(jié)構(gòu)，通過實驗研究、數(shù)值模擬和理論分析，研究強動載下CFRP復合材料加筋板的動力屈曲特性，考慮對材料性能影響顯著的應變率效應和復合材料固有的損傷特性。主要研究內(nèi)容包括：高應變率下CFRP復合材料的動態(tài)力學性能及本構(gòu)模型研究；建立CFRP復合材料加筋板結(jié)構(gòu)沖擊屈曲實驗測試平臺，提出高效的數(shù)值計算新方法，并通過動力屈曲理論分析方法，全面研究CFRP復合材料加筋板的沖擊動力屈曲特性，同時關(guān)注其損傷模式及其演化規(guī)律。本項目的研究試圖建立、發(fā)展和完善復合材料加筋板的動力屈曲特性的研究方法和手段，揭示材料性能、結(jié)構(gòu)特性與復合材料加筋板的動力屈曲特性和損傷機理的內(nèi)在聯(lián)系，為其工程應用提供理論指導，力圖提升我國相關(guān)行業(yè)的基礎(chǔ)和應用研究水平。

本項目基于復合材料高階剪切變形理論，研究深海復合材料管線(包括立管和海管)的后屈曲和非線性振動特性。首先，基于高階剪切變形理論和Kármán型大撓度應力應變關(guān)系，建立復合材料管線后屈曲和非線性振動的宏-細觀力學模型；然后，使用解析法和數(shù)值解法相結(jié)合的方法，研究復合材料管線的后屈曲和非線性振動特性，分析環(huán)境載荷、材料和幾何參數(shù)等因素對管線后屈曲行為和非線性振動特性的影響；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)計參數(shù)，并進行實驗驗證，為復合材料管線穩(wěn)定性設(shè)計以及動力響應控制提供基礎(chǔ)理論支撐。