複合材料薄壁結構熱-力作用下的屈曲特性

項目摘要

薄壁結構廣泛套用於航空航天等領域，其主要失效形式是屈曲。薄壁結構缺陷敏感性的研究遠不能滿足實際要求，尤其對具有局部幾何缺陷、局部材料性能變化、局部升溫等缺陷的複合材料結構。本項目結合理論分析、數值模擬和實驗測試方法，研究局部升溫及局部缺蝕或燒蝕受壓複合材料薄壁結構的屈曲特性。首先採用無格線光滑粒子流體動力學方法模擬複合材料結構局部受熱或雷射輻照燒蝕的回響過程。在屈曲分析方面，首先用突變理論分析簡單平板局部升溫對結構屈曲的影響。針對更複雜情形，採用數值方法尋找幾何缺陷、局部升溫及兩種缺陷聯合作用對結構屈曲性能的影響規律。研究結果將為複合材料薄壁結構局部升溫、局部材料性能變化、相變邊界擴展以及燒蝕噴射過程的描述獲得更有效方法；清晰描述複合材料薄壁結構多種局部缺陷對結構屈曲特性的影響過程；分析熱－力聯合作用下含缺蝕複合材料薄壁結構的屈曲失效特性，豐富缺陷結構穩定性理論及工程計算方法。

結題摘要

薄壁結構廣泛套用於航空航天石化、交通等領域，其主要失效形式是屈曲失效。本項目主要內容及結果：針對複合材料薄壁結構局部幾何缺陷或局部受熱的情形，通過理論、仿真及實驗方法，研究缺陷對結構承載力的影響，評估缺陷對薄壁結構失效的影響規律。具體包括： (1) 薄板結構局部升溫回響規律以及燒蝕擴展的數值模擬與試驗研究。建立了薄壁結構局部升溫及燒蝕的理論分析、數值仿真模型，採用半解析方法及有限元方法對局部受熱作用下板的位移和熱應力進行分析，研究了幾何及材料參數對結構回響的影響。以強雷射作為局部升溫熱源，測試並模擬強熱源作用下薄壁複合材料結構的回響。構造面單元載入熱流，考慮局部燒蝕噴射阻擋雷射輻照，解釋了材料的實際燒蝕熱遠大於理想狀態下模擬燒蝕熱的原因，在燒蝕模擬模型中設定遮罩係數，使模擬結果與試驗結果基本吻合，對準確分析強熱作用薄壁結構具有重要參考意義。 (2) 幾何缺陷及局部升溫對薄板結構屈曲承載力的影響研究。以薄板的非線性屈曲理論為基礎，計算薄板結構屈曲載荷，分析邊界條件、開孔形狀（圓形、正方形以及正三角形）、尺寸及角度等幾何缺陷對薄板結構屈曲承載力的影響。分析了局部升溫各因素對結構屈曲承載力的影響規律。為了準確分析模擬複合材料結構的高溫力學性能，測試了耐熱碳纖維/樹脂 (MT300/PMR) 複合材料層合板的高溫性能。研究熱－力共同作用對複合材料結構承載能力的影響。設計了相應的試驗方法和裝置，測試了MT300/PMR的高溫（拉、壓、彎、剪、層剪）力學性能，為結構高溫失效模擬提供了基礎數據。對缺陷薄壁結構的屈曲失效進行了實驗研究。設計製作了典型開孔的鋁合金板試件及複合材料鋪層板試件近百餘件，試驗對數值模擬與理論分析規律進行了驗證。 (3)拓展研究範圍到加筋薄壁結構屈曲最佳化、夾芯結構設計最佳化、功能梯度材料分析最佳化及各向異性介質波導不連續問題等。改進ESO最佳化方法，建立加筋薄板結構的離散變數最佳化模型並獲得筋條布局規律，為結構最佳化的理論研究及工程套用作出貢獻。針對點陣夾芯結構，構建承載力最大最佳化模型，豐富點陣夾芯結構單胞設計理論和方法。針對竹材這種功能梯度材料，通過實驗測試、理論分析與數值模擬，獲得了結構承載能力的優越性，為仿生結構設計提供依據。針對各向異性介質波導問題，譜單元法與精細積分法相結合，對含有各向異性介質波導問題導入哈密頓體系利用精細積分法進行求解。獲得高準確度的

複合材料薄壁結構熱-力作用下的屈曲特性

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