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先进复合材料格栅加筋壳体稳定性分析与优化设计

作　者: 石姗姗
导　师: 陈浩然
学　校: 大连理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 先进复合材料格栅加筋(AGS)结构整体和局部稳定性格栅分布不均匀性多岛遗传算法开口壳体和补强
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

树脂基纤维复合材料不仅具有比强度和比刚度高的力学特点,同时拥有可设计性好、疲劳性能好等独特的工程性能,已广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程等领域,成为极具发展前景的新一代结构材料。本文针对航空航天运载器中常用的先进复合材料格栅加筋(AGS)结构,使用解析和数值模拟方法,分别对几何完整AGS圆柱壳和圆锥壳受压缩载荷下的力学行为开展了较为深入的研究,并研究了开口对AGS柱壳承载力的影响及其补强方案。该项研究是国家重点基础研究发展计划973计划课题“超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究”(2006CB601205)、国家自然科学基金重大研究计划(90816025)、国家自然科学基金面上项目(10702012)和辽宁省博士科研启动基金项目(20071093)子课题的研究内容之一。本论文主要研究工作如下：1.几何完整AGS回转壳体稳定性分析的解析方法AGS回转壳体具有大量相似的格栅单胞且具有周期对称的性质,可以考虑采用均匀化方法进行简化。本文分别给出了考虑格栅沿母线方向均匀分布和不均匀分布的AGS壳体等效刚度表达式,然后,基于复合材料层合板理论,推导了在轴压和侧外压作用下的完整AGS回转壳体稳定性解析方法。最后,通过典型算例将采用解析计算方法与有限元法所得到的结果进行了比较,验证了本文提出的模型和方法的可靠性和普适性。2.几何完整AGS回转壳体结构的优化设计由于AGS回转壳体的稳定性性能受到多变量控制,其优化分析为高度非线性问题；同时,AGS圆柱壳体优化分析具有多约束、设计变量为连续和非连续混合变量的特点。本文采用多岛遗传算法,将连续变量转化为非连续变量,成功地实施了在不同承载力要求下几何完整AGS回转壳体的最小重量设计。由轴压和侧压载荷下,三种格栅构型的最小重量优化结果比较表明,等格栅是复合材料格栅加筋圆柱壳体的最优构型。3.开口对AGS圆柱壳承载力的影响及其补强在工程应用中,常需要在AGS圆柱壳上开孔。但由于开孔减小了结构的有效承载面积,从而降低结构的极限承载能力。本文使用有限元方法,对具有矩形开口的AGS圆柱壳屈曲行为开展了研究工作,通过典型AGS壳体结构分析,讨论了补强区域大小、补强厚度和补强区域铺层方向对结构整体承载力的影响,由结果表明,采用特定补强措施可以有效地提高具有开孔的AGS壳体结构的承载能力。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 研究背景及意义  9-12
  1.2 先进复合材料格栅结构的特点  12-14
    1.2.1 AGS结构的优点及缺点  12-13
    1.2.2 AGS结构与传统结构对比  13-14
  1.3 国内外AGS结构研究进展  14-19
    1.3.1 AGS结构分析方法研究进展  14-16
    1.3.2 AGS结构优化设计研究进展  16-18
    1.3.3 开口AGS结构稳定性和补强研究进展  18-19
  1.4 本文主要研究内容  19-21
2 AGS结构等效平铺刚度模型和稳定性分析方法  21-40
  2.1 引言  21
  2.2 基于均匀化假设的AGS结构等效平铺刚度模型  21-33
    2.2.1 基于经典层合理论的层合板刚度推导  21-24
    2.2.2 肋骨等效刚度模型  24-33
  2.3 AGS结构稳定性分析方法  33-39
    2.3.1 AGS结构整体稳定性分析  33-37
    2.3.2 AGS结构局部稳定性分析  37-39
  2.4 小结  39-40
3 几何完整AGS回转壳体的稳定性分析  40-60
  3.1 引言  40-41
  3.2 AGS圆柱壳稳定性分析计算  41-55
    3.2.1 基于准静态增量加载法的AGS圆柱壳有限元分析及算例  41-42
    3.2.2 AGS圆柱壳局部稳定性解析法计算结果与有限元校验  42-51
    3.2.3 AGS圆柱壳整体稳定性解析法计算与有限元校验  51-54
    3.2.4 AGS圆柱壳局部失稳对整体稳定性的影响  54-55
  3.3 考虑格栅非均匀分布效应的AGS圆锥壳稳定性分析  55-59
    3.3.1 考虑格栅非均匀分布效应的等效平铺刚度方程  55-56
    3.3.2 算例分析  56-59
  3.4 小结  59-60
4 几何完整AGS回转壳体优化设计  60-77
  4.1 引言  60
  4.2 AGS结构优化设计理论  60-61
  4.3 AGS圆柱壳优化设计  61-74
    4.3.1 AGS参数设计曲线分析  63-69
    4.3.2 AGS圆柱壳重量优化设计  69-74
  4.4 AGS圆锥壳优化设计  74-76
  4.5 小结  76-77
5 开口AGS圆柱壳屈曲行为及其补强  77-89
  5.1 引言  77
  5.2 开口AGS圆柱壳数值模拟  77-80
    5.2.1 结构几何模型与参数  77-79
    5.2.2 边界条件  79
    5.2.3 分析程序  79-80
  5.3 数值模拟结果和讨论  80-87
    5.3.1 未补强开口AGS圆柱壳  80-81
    5.3.2 补强开口AGS圆柱壳  81-86
    5.3.3 补强开口AGS圆柱壳响应趋势分析  86-87
  5.4 小结  87-89
结论  89-91
参考文献  91-95
致谢  95-96

先进复合材料格栅加筋壳体稳定性分析与优化设计

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