薄板的后屈曲损伤分析与疲劳寿命预估

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1、2015年3月北京航空航天大学学报March2015第4l卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．3http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0174薄板的后屈曲损伤分析与疲劳寿命预估肖浩1，胡伟平“，张淼2，孟庆春1(1．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191；2．中国空间技术研究院，北京100094)摘要：针对薄板在面内压缩载荷作用下的后屈曲损伤问题进行了研究，并进一步考

2、虑屈曲与疲劳损伤的耦合作用，预估了薄板的疲劳寿命．首先建立了薄板的有限元模型，通过线性屈曲分析得到屈曲I临界载荷和屈曲模态，进而采用大变形理论，将线性屈曲的一阶屈曲模态作为初始位移扰动，进行薄板的非线性屈曲分析，得到屈曲临界载荷．其次，根据损伤力学理论与方法建立了薄板材料在单次加载过程中的损伤演化方程，并根据材料疲劳试验结果进行参数识别，获取损伤演化参数．根据非线性屈曲分析结果和损伤演化方程进行了后屈曲损伤分析．最后，考虑疲劳载荷的作用，基于损伤力学理论，采用有限元数值方法求解，考虑每次加载引起的损伤与后屈曲应力应变场分析的耦合作用，通过反复迭代计算，给出了结构疲劳寿命．本研究为工程

3、结构的后屈曲损伤分析以及考虑后屈曲损伤的疲劳寿命分析提供了一种新方法和实现手段．关键词：板；后屈曲；损伤；疲劳寿命；非线性理论中图分类号：0346．5文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)03旬523m7在航空航天、管道运输等工程领域，结构的稳定性问题一直受到重点关注．结构的屈曲问题早在18世纪由Euler和Lagrange提出，在这之后，Duncan⋯对不均匀柱进行了研究，为屈曲临界载荷推导了封闭形式的表达式．此后，对于封闭解的研究较少．1999年。Elishakoff和Rollot¨1才发现了新的封闭解．但工程结构的实际屈曲载荷明显要低于由理论解给出的屈曲临界载荷

4、，当时的理论无法解释这一现象．1941年，vonK6rm6n和Tsien”o根据非线性大挠度理论，提出了板壳后屈曲分析的一般方法以及非线性屈曲理论．Donnell和WanMl于1950年将非线性大挠度分析推广到非完善圆柱薄壳．Koiter”1用摄动法研究了弹性结构的初始后屈曲性态，导出了临界压力与缺陷参数之间的关系，并提出了初始缺陷敏感度的概念．1968年，Stein∞1提出了非线性前屈曲一致理论，解释了经典线性理论与实验之间差异的原因．非线性屈曲分析考虑了结构屈曲前的变形，计算结果更符合实际情况．以vonK6rm6n大挠度理论为依据，对于单一的屈曲和后屈曲问题已有大量的研究成果，但

5、在实际工程应用中，当薄壁构件受到循环载荷作用时，可能会出现屈曲问题与疲劳问题的耦合"{]，即结构可能在反复进入后屈曲状态下发生疲劳破坏，或是在产生一定的疲劳损伤累积后发生屈曲或后屈曲破坏．目前，国内外很多学者主要研究构件在循环载荷下屈曲后屈曲过程中模态的改变p-lo】，以及临界载荷和极限载荷随着循环次数的增加而产生的变化¨。”1，很少有研究将屈曲分析与疲劳损伤收稿日期：2014旬4-03；录用日期：2014．05．09；网络出版时间：2014_05-2715：10网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．017

6、4．html作者简介：肖浩(1990一)，男，湖北天门人，硕士生，hotboyhao@gmail．corn}通讯作者：胡伟平(1975一)，男，湖南常德人，副教授，huweiping@buaa．edu．ca，主要研究方向为疲劳断裂、损伤力学．Bt用格式：肖浩，胡伟平．张淼．等．薄板的后屈曲损伤分析s疲劳寿命预估【J1．北京航空航天大学学报．2015．41(3)：523．529．XiaoH，HuwP，ZhangM，etaJ．Post—bucklingdamageanalysisandfatiguelifepredictionofthinplatefJJ．Jounl胡ofBeijingU

7、niversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41f3)：523．529(inChinese)．524北京航空航天大学学报2015年分析进行耦合，并进一步预估构件的疲劳寿命．本文基于连续损伤力学理论与方法，研究结构在后屈曲情况下的损伤以及在疲劳载荷作用下屈曲与疲劳损伤的耦合特性．首先采用有限元方法，通过线性屈曲分析得到屈曲临界载荷和屈曲模态，进而采用大挠度理论，将线性屈曲的一阶屈曲模态作为初始扰动，进行薄板的非线性屈