复合材料折线形加筋板屈曲及后屈曲性能研究

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1、学校代码10699分类号V214.8密级学号2012100106题目复合材料折线形加筋板屈曲及后屈曲性能研究作者王文浩学科、专业力学指导教师苟文选申请学位日期2017年6月西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目：复合材料折线形加筋板屈曲及后屈曲性能研究作者王文浩学科专业力学指导教师苟文选教授2017年06月StudyonBucklingandPost-bucklingPer-formancesofFoldedStringersStiffenedCompositePanelByWangWen-hao

2、UndertheSupervisionofProfessorGouWen-xuanADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMechanicsXi’anP.R.ChinaJune2017摘要摘要随着新型飞机结构形式的不断出现，折线形加筋板在飞机结构中的采用逐渐增多，但是对这类结构承载力的可靠预测和优化设计目前较少

3、。本文对轴压载荷作用下的复合材料折线形加筋板屈曲和后屈曲行为展开研究，并提出“数值模拟->试验验证->重要参数敏感性分析->优化设计”的总体研究路线。采用数值模拟与试验相结合的研究方法，对承载能力进行了预测，对结构损伤演化进行了模拟并进行了试验验证。在此基础上，开展了结构参数的敏感性和结构的综合优化设计研究工作。本文工作主要体现在以下几个方面：1.针对本文的复合材料折线形加筋板模型，经理论分析和试验验证，提出了合理的屈曲、后屈曲有限元理论，主要包括：1)适用于特征值屈曲分析的线性摄动法；适用于非线性分

4、析的改进的弧长法(Riks方法)。2)对非线性的弹塑性铝合金材料采用了切线模量理论；对非线性的复合材料采用了刚度退化理论。3)材料刚度退化方案采用修正的Hashin失效准则判定失效，然后对刚度进行折减。此外，还编制了用户子程序实现刚度退化模拟。2.采用四个算例对本文采用的有限元理论进行了验证。四个算例的选取由局部到整体，即先筋条、壁板，然后加筋板整体。前两个算例通过分别对单根筋条和可作为机身常用结构的圆柱壳的屈曲、后屈曲行为进行的解析解和有限元解的比较，验证了弹塑性材料非线性屈曲理论。后两个算例通过分

5、别对复合材料T型加筋板和复合材料帽型加筋板的屈曲、后屈曲行为进行的有限元解与试验结果的对比，验证了复合材料层合板非线性屈曲理论。通过对后两算例中考虑界面单元与不考虑界面单元结果的分析，得出界面脱粘损伤对模拟结果影响并不显著，试验结果显示在屈曲阶段界面脱粘区域极小，对加筋结构整体刚度的影响可以忽略不计，若界面强度足够，在加筋板达到极限载荷前没有出现过大的脱粘损伤区域，极限载荷也不会有显著影响。算例验证结果表明本文研究方法具有较高的可靠性。3.基于经过上述验证的有限元理论，对复合材料折线形加筋板屈曲、后屈

6、曲行为展开分析。提出在加筋板达到极限载荷前筋条与蒙皮界面不会出现分层的假定，使得模型得到了合理的简化，在保证计算精度的前提下提高了计算效率。通过计算得到了屈曲临界载荷、极限载荷以及反映结构损伤扩展历程的载荷位移曲线。最后对结果进行了收敛性分析，验证了结果的合理性。有限元计算结果表明由线性摄动法计算出的特征值屈曲载荷比考虑结构初始缺陷和非线性计算出的屈曲临界载荷值大，可见线性方法计算出的结果是非保守的，因此，工程设计如果采用这一结果可能是不安全的。分析结果与试验结果均表明该结构极限载荷相I西北工业大学博

7、士论文对屈曲临界载荷有大幅提升，可见后屈曲强度潜力很大，对于结构减重和提高结构承载力有重大意义。4.采用Python命令流对结构的敏感性进行了分析。得出结构的初始缺陷大小对承载力的影响曲线，可以对构件的生产和制造在不显著影响结构性能的前提下提出合理的误差值，通过该曲线可以确定偏移值的不同变化率区间，避免取值在陡降段区间，导致对承载力产生较大影响，从而达到对初始缺陷进行有效控制的目的。指出采用本文的有限元理论和实测的加筋板偏移值可以较准确的估计出承载力。本文的敏感性分析方法还可用来确定其它设计参数扰动对

8、结构主要性能指标的影响。5.针对复合材料折线形加筋板屈曲、后屈曲优化问题展开研究，对优化过程中存在的多变量、多约束、多峰值现象，提出对设计变量进行试验设计(DOE)分析、基于遗传算法(GA)进行全局搜索、基于响应面(RSM)近似模型和序列二次规划(SQP)相结合的局部寻优的优化策略，保证分析精度的条件下，节省了数值模拟的时间开销。接着分别对加筋板筋条、壁板的铺层厚度、铺层顺序、筋条数量以及连接部件材料展开优化设计。经过与原模型比较，达到了结构轻量化的目标