深海复合材料管线后屈曲行为及非线性动力特性研究结题摘要

海洋油气管线是油气开发系统中重要构件。深海作业中，传统钢管线由于自身重量大，在深海复杂内外载荷作用下经常发生振动和屈曲，造成管线损伤破坏。复合材料管具有高比强度、重量轻等优点, 在海洋石油工业未来应用中具有很强竞争力。国内外复合材料管线动力学分析和设计理论尚处于探索阶段。 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，系统地研究了边界层效应、横向剪切效应、环境热效应和壳体结构参数等因素对纤维增强和编织复合材料结构非线性屈曲行为的影响，取得了新的认识和结果。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，并进行实验验证力学模型的正确性和可靠性，同时，给出柔性梁柱结构的屈曲和后屈曲大挠度精确解，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。

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。

可变形电子技术是当前国际电子产业的前沿技术，研究可变形电子结构的动力屈曲和后屈曲问题，是具有显著创新性的前沿课题，具有重要的学术价值和现实意义。本项目研究可变形电子结构在不同应变速率下的非线性动力屈曲和后屈曲问题，研究其临界荷载、初发屈曲模态、初始屈曲时间，关注其屈曲变形的动态扩展规律及其最终屈曲模态，考虑初始缺陷的重要影响，并研究复杂应力情况下可变形电子结构的动力屈曲问题。本项目将得到可变形电子结构的动力屈曲和后屈曲的特征参量与结构材料性质、几何参数和载荷特性的关系，为可变形电子产品的设计与开发提供重要的理论依据。

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。