軸壓復(fù)合材料柱形殼屈曲特性及工程應(yīng)用.pdf

1、復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，柱形殼具有很好的承載能力與空間利用率，常被用于海洋平臺(tái)樁腿、潛水器耐壓殼等結(jié)構(gòu)的制造。本文研究了軸壓復(fù)合材料柱形殼的屈曲特性與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以提高其軸向承載能力。從生產(chǎn)制造與工程實(shí)際出發(fā)，系統(tǒng)地建立復(fù)合材料柱形殼設(shè)計(jì)計(jì)算流程、失穩(wěn)分析方法，對(duì)于復(fù)合材料柱形殼的設(shè)計(jì)、校核、優(yōu)化具有指導(dǎo)性作用。
　　（1）由碳纖維復(fù)合材料單軸拉伸試驗(yàn)得到試驗(yàn)材料的力學(xué)屬性，用于柱形殼的計(jì)算

2、與分析。對(duì)軸壓復(fù)合材料柱形殼進(jìn)行線彈性屈曲分析，得出前50階屈曲失穩(wěn)模式，即模態(tài)缺陷。基于復(fù)合材料薄殼理論、NASA SP-8007規(guī)范，分別得到軸壓復(fù)合材料柱形殼屈曲臨界載荷解析解、經(jīng)驗(yàn)值，驗(yàn)證線彈性數(shù)值模型正確性?；诨￠L(zhǎng)法研究不同模態(tài)缺陷條件下軸壓復(fù)合材料柱形殼的非線性屈曲特性。由復(fù)合材料柱形殼三維掃描試驗(yàn)得到其初始幾何缺陷，由軸向壓縮試驗(yàn)得到其軸壓屈曲特性。
　?。?）將數(shù)值分析結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果與軸壓試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比分析，

3、結(jié)果表明：對(duì)于軸壓復(fù)合材料柱形殼屈曲問(wèn)題，第1階模態(tài)缺陷不一定是最差缺陷，高階模態(tài)缺陷條件下的非線性屈曲臨界載荷與試驗(yàn)值較為吻合；屈曲載荷下降受缺陷形狀、幅值雙重影響，復(fù)合材料柱形殼屈曲計(jì)算需考慮多模態(tài)問(wèn)題；NASA規(guī)范求出的復(fù)合材料柱形殼屈曲載荷低于試驗(yàn)值較多，往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)笨重、材料浪費(fèi)、性能降低。
　?。?）綜合運(yùn)用線彈性屈曲與非線性屈曲分析方法，研究材料鋪層、殼體尺寸對(duì)軸壓復(fù)合材料柱形殼屈曲特性的影響，得到較為合理的鋪層方

4、式與殼體尺寸。結(jié)合仿生學(xué)原理對(duì)柱形殼進(jìn)行形狀優(yōu)化，運(yùn)用等質(zhì)量、等容積兩種方法，設(shè)計(jì)與柱形殼開(kāi)口直徑相同的蛋形殼，并進(jìn)行線彈性與非線性屈曲分析。結(jié)果表明：相對(duì)復(fù)合材料柱形殼，蛋形殼具有更好的軸向承載能力與更低的缺陷敏感度。
　?。?）從工程實(shí)例出發(fā)，以單立柱固定式海洋平臺(tái)的柱形殼樁腿為背景，采用分段式模塊化設(shè)計(jì)的方法，在5％多模態(tài)缺陷條件下，研究一般鋼結(jié)構(gòu)柱形殼樁腿、碳纖維復(fù)合材料柱形殼樁腿、碳纖維復(fù)合材料多蛋交接形樁腿的軸壓屈曲特