复合材料薄壁结构热-力作用下的屈曲特性

薄壁结构广泛应用于航空航天石化、交通等领域，其主要失效形式是屈曲失效。本项目主要内容及结果：针对复合材料薄壁结构局部几何缺陷或局部受热的情形，通过理论、仿真及实验方法，研究缺陷对结构承载力的影响，评估缺陷对薄壁结构失效的影响规律。具体包括： (1) 薄板结构局部升温响应规律以及烧蚀扩展的数值模拟与试验研究。建立了薄壁结构局部升温及烧蚀的理论分析、数值仿真模型，采用半解析方法及有限元方法对局部受热作用下板的位移和热应力进行分析，研究了几何及材料参数对结构响应的影响。以强激光作为局部升温热源，测试并模拟强热源作用下薄壁复合材料结构的响应。构造面单元加载热流，考虑局部烧蚀喷射阻挡激光辐照，解释了材料的实际烧蚀热远大于理想状态下模拟烧蚀热的原因，在烧蚀模拟模型中设置遮罩系数，使模拟结果与试验结果基本吻合，对准确分析强热作用薄壁结构具有重要参考意义。 (2) 几何缺陷及局部升温对薄板结构屈曲承载力的影响研究。以薄板的非线性屈曲理论为基础，计算薄板结构屈曲载荷，分析边界条件、开孔形状（圆形、正方形以及正三角形）、尺寸及角度等几何缺陷对薄板结构屈曲承载力的影响。分析了局部升温各因素对结构屈曲承载力的影响规律。为了准确分析模拟复合材料结构的高温力学性能，测试了耐热碳纤维/树脂 (MT300/PMR) 复合材料层合板的高温性能。研究热－力共同作用对复合材料结构承载能力的影响。设计了相应的试验方法和装置，测试了MT300/PMR的高温（拉、压、弯、剪、层剪）力学性能，为结构高温失效模拟提供了基础数据。对缺陷薄壁结构的屈曲失效进行了实验研究。设计制作了典型开孔的铝合金板试件及复合材料铺层板试件近百余件，试验对数值模拟与理论分析规律进行了验证。 (3)拓展研究范围到加筋薄壁结构屈曲优化、夹芯结构设计优化、功能梯度材料分析优化及各向异性介质波导不连续问题等。改进ESO优化方法，建立加筋薄板结构的离散变量优化模型并获得筋条布局规律，为结构优化的理论研究及工程应用作出贡献。针对点阵夹芯结构，构建承载力最大优化模型，丰富点阵夹芯结构单胞设计理论和方法。针对竹材这种功能梯度材料，通过实验测试、理论分析与数值模拟，获得了结构承载能力的优越性，为仿生结构设计提供依据。针对各向异性介质波导问题，谱单元法与精细积分法相结合，对含有各向异性介质波导问题导入哈密顿体系利用精细积分法进行求解。获得高准确度的 2100433B

薄壁结构广泛应用于航空航天等领域，其主要失效形式是屈曲。薄壁结构缺陷敏感性的研究远不能满足实际要求，尤其对具有局部几何缺陷、局部材料性能变化、局部升温等缺陷的复合材料结构。本项目结合理论分析、数值模拟和实验测试方法，研究局部升温及局部缺蚀或烧蚀受压复合材料薄壁结构的屈曲特性。首先采用无网格光滑粒子流体动力学方法模拟复合材料结构局部受热或激光辐照烧蚀的响应过程。在屈曲分析方面，首先用突变理论分析简单平板局部升温对结构屈曲的影响。针对更复杂情形，采用数值方法寻找几何缺陷、局部升温及两种缺陷联合作用对结构屈曲性能的影响规律。研究结果将为复合材料薄壁结构局部升温、局部材料性能变化、相变边界扩展以及烧蚀喷射过程的描述获得更有效方法；清晰描述复合材料薄壁结构多种局部缺陷对结构屈曲特性的影响过程；分析热－力联合作用下含缺蚀复合材料薄壁结构的屈曲失效特性，丰富缺陷结构稳定性理论及工程计算方法。

强动载下复合材料加筋板的动力屈曲特性的研究，具有重要的学术价值和现实意义。本项目针对碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）加筋板结构，通过实验研究、数值模拟和理论分析，研究强动载下CFRP复合材料加筋板的动力屈曲特性，考虑对材料性能影响显著的应变率效应和复合材料固有的损伤特性。主要研究内容包括：高应变率下CFRP复合材料的动态力学性能及本构模型研究；建立CFRP复合材料加筋板结构冲击屈曲实验测试平台，提出高效的数值计算新方法，并通过动力屈曲理论分析方法，全面研究CFRP复合材料加筋板的冲击动力屈曲特性，同时关注其损伤模式及其演化规律。本项目的研究试图建立、发展和完善复合材料加筋板的动力屈曲特性的研究方法和手段，揭示材料性能、结构特性与复合材料加筋板的动力屈曲特性和损伤机理的内在联系，为其工程应用提供理论指导，力图提升我国相关行业的基础和应用研究水平。

强动载下复合材料加筋板的动力屈曲特性的研究，具有重要的学术价值和现实意义。本项目针对碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）加筋板结构，通过实验研究、数值模拟和理论分析，研究强动载下CFRP复合材料加筋板的动力屈曲特性，考虑对材料性能影响显著的应变率效应和复合材料固有的损伤特性。主要研究内容包括：高应变率下CFRP复合材料的动态力学性能及本构模型研究；建立CFRP复合材料加筋板结构冲击屈曲实验测试平台，提出高效的数值计算新方法，并通过动力屈曲理论分析方法，全面研究CFRP复合材料加筋板的冲击动力屈曲特性，同时关注其损伤模式及其演化规律。本项目的研究试图建立、发展和完善复合材料加筋板的动力屈曲特性的研究方法和手段，揭示材料性能、结构特性与复合材料加筋板的动力屈曲特性和损伤机理的内在联系，为其工程应用提供理论指导，力图提升我国相关行业的基础和应用研究水平。

本项目基于复合材料高阶剪切变形理论，研究深海复合材料管线(包括立管和海管)的后屈曲和非线性振动特性。首先，基于高阶剪切变形理论和Kármán型大挠度应力应变关系，建立复合材料管线后屈曲和非线性振动的宏-细观力学模型；然后，使用解析法和数值解法相结合的方法，研究复合材料管线的后屈曲和非线性振动特性，分析环境载荷、材料和几何参数等因素对管线后屈曲行为和非线性振动特性的影响；最后，在结构参数优化分析基础上，选择合理的几何、材料及设计参数，并进行实验验证，为复合材料管线稳定性设计以及动力响应控制提供基础理论支撑。