复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析
矩形大开孔圆柱壳轴压作用下的屈曲性能
第2期
宋 波等: 矩形大 开孔圆柱壳轴压作用下的屈曲性能
151
荷载的上限, 本文只讨论第一个特征值和特征矢量. 以开孔宽度 b= 9 5 m, 开孔高度 h= 5 m 为例,
对开孔圆柱壳进行特征值屈曲分析. 图 3 所示为第 一阶特征值屈曲模态图. 从图中可以看到: 在该模 态下, 壳体矩形开口纵边界发生沿径向的突起变形, 两侧同向, 纵向半波数 a= 1, 最大位移发生在纵边 界中点偏上位置.
当外力增大时, 弱化效应增加; 当达到某个载荷时,
弱化效应将超过结构的固有刚度. 此时, 由于没有
了净刚度, 位移将无限增加, 结构发生屈曲. 用 AN
SYS 分析结构的特征值屈曲时, 一般将结构的一阶
屈曲特征值及其对应的特征向量作为结构的弹性屈 曲荷载系数和屈曲模态[ 9] .
ANSYS 中的线性屈曲分析使用相似的概念, 使 用特征值的公式计算造成结构负刚度的应力刚度矩
Buckling behavior of thin walled cylindrical shells with large rectangular opening
S ON G Bo, W U Lin , S UN Bei dong S chool of Civil and Environmental Engineering, U niversit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
轴心受压的圆柱壳广泛存在于石油化工、电力、 核能、潜艇及输运管线等工程领域. 实际使用中的 大型塔类结构常开有孔洞. 由于孔洞的存在, 壳体 截面尺寸受到削弱, 结构的几何连续性遭到破坏, 在 承受外部载荷作用时, 孔口附近区域的薄膜应力将 大幅增加. 不仅如此, 由于壳体存在着曲率, 这就使 得开孔在影响壳体中面内变形状态的同时, 还将引 起壳体沿法向的变位, 进而产生弯曲变形, 这就破坏 了壳体无孔时的无矩应力状态, 而造成比较大的弯 曲应力, 产生明显的应力集中现象. 应力集中区域
基于ANSYS的外压圆柱壳的屈曲分析
基于ANSYS的外压圆柱壳的屈曲分析余军昌;徐超;张峰;金伟娅【摘要】The stability of cylindrical shell is the primary problem that should be considered in the design of external pressure vessel. This paper analyzed the eigenvalue, geometry nonlinear and geometry-material nonlinear of external pressure cylindrical shell with a special finite element analysis software-ANSYS and compared the results with Mises results, thus obtained the analytic conclusion of the stability of external pressure cylindrical shell. The stability anslysis of Cylindrical Shell with Stiffening rings was also carried out and a new method was proposed to evaluate the rigidity of Stiffening rings.%圆柱壳的稳定性是外压容器设计中应该考虑的首要问题.文章利用有限元软件ANSYS分别对外压圆柱壳进行了特征值、几何非线性和几何/材料双非线性屈曲分析,并把有限元计算结果和Mises公式计算结果进行了对比,给出了外压圆柱壳稳定性的分析结论.同时,对带加强圈的外压圆柱壳进行了失稳分析,提出了一种判断加强圈的刚度是否满足稳定性要求的新方法.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2013(031)001【总页数】4页(P29-31,35)【关键词】外压;圆柱壳;稳定性;ANSYS软件;加强圈【作者】余军昌;徐超;张峰;金伟娅【作者单位】浙江工业大学过程装置与控制工程研究所,浙江杭州310014;浙江工业大学过程装置与控制工程研究所,浙江杭州310014;浙江工业大学过程装置与控制工程研究所,浙江杭州310014;浙江工业大学过程装置与控制工程研究所,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】O343.9;TP391.7所谓压力容器的失稳是指压力容器所承受的载荷超过某一临界值时突然失去原有几何形状的现象。
大挠度高阶剪切理论下复合材料圆柱壳的屈曲_彭伟斌
{ } = { 0} + z { } + z 3{ }
( 7)
式中
26 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 2001 年
{ 0} =
0x
0y =
xy
u0, x +
1 2
w
2 0,
x
v 0, y +
1 2
w2 0, y
-
w0 R
u 0, y + v 0, x + w 0, x w 0, y
x, x
( 8)
{ } = y, y
+ x, y
y, x
{
}=-
4 3h2
x, x + w , xx y, y + w ,y y x, y + y, x + 2w , xy
对 { 0} 的各项进行相应的运算可以得到变形
协调方程
+ 0x , yy
- 0y , xx
= 0xy, xy
w2 0, xy
2001 年第 2 期 总第 250 期
导 弹 与 航 天 运 载 技 术 M ISSILE S A ND SPACE VEHICLES
No. 2 2001 S um No. 250
大挠度高阶剪切理论下复合材料圆柱壳的屈曲
彭伟斌 朱森元
( 北京航空航天大学, 北京, 100083) ( 中国运载火箭技术研究院, 北京, 100076)
2
[
y( x , y ) +
w , y]
( 4) 代回到式( 1) 得到位移场
u( x , y , z ) = u( x , y ) + z x( x , y ) -
复合材料的抗弯强度与性能优化
复合材料的抗弯强度与性能优化在现代工程领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。
其中，抗弯强度是评估复合材料性能的关键指标之一。
了解复合材料的抗弯强度以及如何对其性能进行优化，对于材料科学的发展和实际应用具有重要意义。
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的。
其组成成分通常包括增强相和基体相。
增强相可以是纤维、颗粒或晶须等，它们赋予材料高强度和刚度；基体相则起到粘结和传递载荷的作用。
这种独特的结构使得复合材料在性能上往往优于单一材料。
抗弯强度，简单来说，就是材料抵抗弯曲变形的能力。
当材料受到弯曲载荷时，内部会产生应力分布。
如果应力超过了材料所能承受的极限，就会发生断裂。
对于复合材料而言，其抗弯强度受到多种因素的影响。
首先是材料的组成成分。
增强相的种类、含量、尺寸和分布都会对复合材料的抗弯强度产生显著影响。
例如，碳纤维作为一种高强度的增强相，在一定含量范围内能够显著提高复合材料的抗弯强度。
而增强相的分布均匀性也很重要，如果分布不均匀，可能导致局部应力集中，降低材料的整体性能。
其次是制造工艺。
复合材料的制备过程包括复合、成型和固化等环节。
不同的工艺参数，如温度、压力、时间等，会影响材料的微观结构和界面结合强度，进而影响抗弯强度。
例如，在热压成型过程中，合适的温度和压力能够促进基体与增强相之间的良好结合，提高材料的抗弯性能。
再者，复合材料的界面特性也是关键因素之一。
良好的界面结合能够有效地传递载荷，提高材料的抗弯强度。
界面的化学性质、物理相容性以及界面的粗糙度等都会对界面结合强度产生影响。
为了优化复合材料的抗弯强度和性能，研究人员采取了多种策略。
一种常见的方法是优化材料的组成和结构设计。
通过选择合适的增强相和基体相，并合理控制它们的比例，可以实现性能的优化。
例如，在航空航天领域，为了减轻结构重量同时保证高强度，会采用高比强度的碳纤维增强树脂基复合材料，并通过精心设计纤维的排布方向来提高抗弯强度。
静水压力下复合材料圆柱壳体耐压性能优化设计
根据实验结果，对复合材料圆柱壳体的耐压性能进行评估，分析影响性能的因素，如材料类型、铺设层数、纤维 方向等，并探讨优化设计方案。
05
数值模拟与优化设计
数值模拟的方法和流程
01
02
03
04
前处理
建立复合材料圆柱壳体的几何 模型，并划分网格。
加载条件
设定静水压力和其他相关载荷 。
约束条件
限制壳体的位移和变形。
04
求解方法
采用合适的优化算法进行求解， 如梯度下降法、遗传算法等。
优化设计结果的分析和评估
1 2
结果分析
对优化设计的结果进行详细的分析，包括应力、 应变和位移等的分布情况。
性能评估
对比优化前后的性能指标，评估优化设计的有效 性。
3
可行性评估
根据优化结果，评估实际制造和应用的可行性。
06
结论与展望
采用先进的制造工艺，如纤维增 强复合材料的成型工艺、焊接工 艺等，以提高圆柱壳体的制造精
度和密封性能。
04
实验研究与结果分析
实验材料的选取和制备
材料选择
采用纤维增强复合材料，如玻璃纤维、碳纤维等，具有高强度、轻质、耐腐蚀等 优点。
制备方法
采用层合板制备工艺，将纤维片材按一定方向铺设，经过树脂浸渍、固化等处理 ，形成具有一定力学性能的复合材料。
静水压力下复合材料圆柱壳体是海洋工程、航空航天、化工等领域的重要构件，其 耐压性能直接关系到设备的安全性和可靠性。
目前，复合材料圆柱壳体的耐压性能仍存在诸多不足，需要进一步优化设计。
国内外研究现状及发展趋势
国内外学者针对复合材料圆柱壳体的 耐压性能进行了广泛研究，提出了多 种优化设计方案。
!复杂载荷作用下圆柱壳的弹塑性动力屈曲研究
第22卷 第2期爆炸与冲击V ol.22,N o.2 2002年4月EXP LOSI ON AND SH OCK W AVES Apr.,2002 文章编号:100121455(2002)022*******刘 理,刘土光,张 涛,李天匀(华中理工大学船舶与海洋工程系,湖北武汉 430074) 摘要:对复杂载荷作用下圆柱壳的弹塑性动力屈曲问题进行了研究。
基于Hamilton变分原理导出圆柱壳的运动方程,本构关系采用增量理论,借助增量数值算法求解动力方程组。
结果表明,均匀径向外压对圆柱壳的轴向冲击的过程或冲击性态有较大的影响,并讨论了径向压力与轴向冲击载荷的幅值对结构临界动力屈曲载荷和临界动力失效载荷的影响。
关键词:圆柱壳;复杂载荷;动力屈曲;动力失效Ξ 中图分类号:O347.3 文献标识码:A1 引 言 在工程实际中,如在深水中受爆炸冲击载荷作用的潜艇、在深水中攻击目标的鱼雷、遭受飞行物撞击的原子能反应堆等结构,在承受冲击载荷之前,已经受到了其它类型载荷的作用,因此它们与结构单独承受冲击载荷时的动力性态有较大的差异。
R. C.T ennys on[1]利用实验和计算的方法对飞行器、化学容器、核反应堆容器和导弹等圆柱壳模型在各种联合载荷作用下的弹性静力屈曲问题进行了研究。
王仁、韩铭宝等[2]对轴向冲击弹塑性圆柱壳的屈曲问题进行了研究,提出了第二临界速度。
之后,韩铭宝等[3]进一步考虑了在径向载荷和轴向冲击联合作用下的圆柱壳塑性稳定性问题,认为复杂载荷下的圆柱壳同样存在着两种临界速度。
但是上述的理论分析是基于小变形下进行的,实际上,薄壁圆柱壳在轴向冲击载荷作用下的屈曲问题属于大变形、大应变的范畴,因此有必要对该类问题继续进行深入的研究。
江松青[4]考察了环向加筋圆柱壳在复杂载荷作用下的弹塑性动力屈曲问题,对均匀径向外压与轴向冲击载荷峰值之间的关系进行了定性的讨论,并得到了一些有意义的结论。
在本文中,我们对复杂载荷作用下圆柱壳的弹塑性动力屈曲问题进行了研究。
复合材料圆柱壳非轴对称动力屈曲
复合材料圆柱壳非轴对称动力屈曲孟豪;韩志军;路国运【摘要】考虑应力波效应,通过Hamilton原理得到轴向阶跃荷载下复合材料圆柱壳非轴对称动力屈曲控制方程.根据圆柱壳周向连续性设出径向位移的周向函数形式,使用分离变量法得到应力波反射前复合材料圆柱壳动力屈曲临界荷载解析解及屈曲模态,将该结果与里兹法所得结果进行了对比,结果表明两种方法所得临界荷载差值等于转动惯性的影响项.用MATLAB软件编程分析了径厚比、铺层角度等因素对临界荷载的影响.结果表明转动惯性对圆柱壳动力屈曲临界荷载的影响可以忽略,环向模态数越大,临界荷载越大且对应的屈曲模态图越复杂.%Considering effects of stress wave,the governing equation for non-axisymmetric dynamic buckling of composite cylindrical shells under an axial step load was derived using Hamilton principle.The expression of radial displacement function along the circumferential direction was assumed according to its continuity along the circumferential direction.The analytical solution to the critical load of the dynamic buckling of a composite cylindrical shell and its buckling modes were derived with the variable separation method before the reflection of stress paring the critical load with that gained with Ritz method,it was shown that the difference between the two critical loads is equal to the influence term due to rotary inertia.The influences of diameter-thickness ratio,and ply orientation,etc.on the critical load were analyzed with a self-compiled MATLAB-based code.The results showed that the effect of rotary inertia on the critical load can be neglected;thehigher the circumferential mode order,the larger the critical load and the more complex the corresponding buckling mode shape.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】5页(P27-30,78)【关键词】复合材料;应力波;动力屈曲;非轴对称;解析解【作者】孟豪;韩志军;路国运【作者单位】太原理工大学力学学院,太原030024;太原理工大学力学学院,太原030024;太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】O343;TB33复合材料圆柱壳因其优良的性能被广泛应用于军事以及航空航天等领域。
轴压作用下充液圆柱壳的屈曲的实验研究毕业论文
1引言1.1研究意义随着航空、航天、原子能利用等飞速发展，结构在冲击载荷作用下的稳定性问题，特别是进入塑性状态以后的稳定性问题，长期以来一直是工程力学和结构工程界十分活跃的研究领域。
随着现代工业技术的发展，大量新型、高强度材料以及轻型结构的广泛应用于航空、航天、原子能、船舰、化工、建筑等许多工业行业中，这使得人们对诸如杆、板、壳等轻型结构元件在各种外载荷的作用下结构平衡稳定性问题愈来愈关注。
最初的研究是弹性状态下的静力失稳问题，随着结构设计的发展，又进一步考虑结构在进入塑性状态以后才失稳。
圆柱壳常常是在内部充满液体介质的条件下工作的，显然，内部液体介质的存在将对圆柱壳的屈曲性能有重要影响，因此，研究充满液体的圆柱壳在轴向作用下的屈曲过程，不仅在结构设计和某些成型工艺中有着强烈的工程应用背景，而且也有重要的理论意义。
对于静态内压和轴压联合作用下圆柱壳的弹性失稳问题，自三十年代， F lügge用小变形理论研究了该问题以来，已取得了一些成果。
张善元等人曾对充满水的圆柱薄壳在轴向压缩下的屈曲性能进行了一系列的实验研究和相应的理论分析。
王仁等人对充满液体的厚壁圆柱壳在轴向冲击载荷下的塑性失稳问题从理论和实验两个方面进行过探讨，认为与无内压时相比较，由于内压的存在，轴向失稳半波数略有减少，失稳形式以轴对称失稳形式为主。
冯元桢( Y．Zung)及席希勒(K Sec~Zer)于二十世纪50年代曾表示过：在某种意义上，薄壳的稳定性同题在经典的弹性理论中仍旧是最引人思考探索的同题。
圆柱形薄壳于轴向压力下的弹性稳定性问题这一经典力学问题由于理论临界压力与实验值差别巨大吸引了无数力学家致力于研究，其理论的选出，从本世纪以来直到70年代依靠了近代实验手段才摸清了屈曲真相，理论才得适应。
早期的线性理论辅压临界力大于实验值的2～5倍，甚至l0倍。
于是L．H．Donnel 于1934年提出采用非线性理论研究这类壳的后屈曲问题。
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图１
轴压载荷下复合材料圆柱壳结构的屈曲模态
Ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈｅｌｌ ｕｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｌｏａｄ
究，而试验研究主要是针对小型试件或部分柱壳结
构［１ １４］，对于带口盖的复合材料圆柱壳结构的力学
２
Ｆｉｇ．１
性能还需进一步研究。本文中以某型导弹弹体舱段 结构为原型，对轴压载荷作用下复合材料圆柱壳结 构进行试验研究与数值计算，得到圆柱壳结构的屈 曲载荷和屈曲变形。在圆柱壳结构上开口并加装口 盖，计算了开口大小以及复合材料圆柱壳的铺层方 式对圆柱壳结构屈曲载荷的影响。分析了完整、带 开口和带口盖的圆柱壳结构的失稳模态，得到了３ 种结构的屈曲特性。
２６８ ５
ｋＮ（即有限元分析的屈曲载荷的６０％）时，按
ｋＮ／ｍｉｎ载荷级别进行加载，直至达到理论载荷的
８０％，即３５４ ｋＮ时，将加载级别改为１ ｋＮ／ｍｉｎ，
继续进行试验，直至试件破坏。 复合材料圆柱壳结构破坏位置发生在圆柱壳结 构中部偏上部位，与有限元分析结果大致相同，如 图３所示，可以看出破坏位置处的变形复杂。 根据试验测得结构的屈曲载荷和各测量点的变 形情况，选择具有代表性的测量点的载荷一应变曲 线，对结构变形情况进行讨论： 结构的上下端部（１切面和７切面），各测量点 的载荷应变形状大致相同。图４给出了１切面左
ＣＯＶｅｒ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｆｉｎｉｔｅ
ｏｎ
ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｌｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈｅｌｌ ｗｉｔｈ
ｒｅｃｔａｎ
ｗａｓ
ｉｎｓｔａｌｌｅｄ
ｔｏ
ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ
ｒｅ
ｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈｅｌｌ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．
基金项目：国家自然科学基金（５０１３５０１０） 通讯作者：阎楚良，博士生导师，研究方向为飞机结构力学。
Ｅ
ｍａｉｌ：Ｙａｎｃｌ＠ｓｉｎａ．ｃｏｎｌ
再光，韩小进，禹楚良，等．复合材料圆柱壳轴压屈曲性麓分析＿ｊｊ．复合材料学报，２０１４，３１（３）：７８１
ｐｏｓｉｔａｅ Ｓｉｎｉｃａ，２０１４，３１（３）：７８１
万方数据
闫
光，等：复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析
２
图２
Ｆｉｇ．２
Ｔ７００／Ｇ８０８复合材料圆柱壳应变计布置方案
ｇａｕｇｅｓ
ｏｎ
Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ
Ｔ７００／Ｇ８０８ ｃｏｌｎｐｏｓｉｔｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈｅｌｌ
试验按１０ ｋＮ／ｍｉｎ载荷级别逐级加载，加载至
ａｎｄ ｔｈｅ ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈｅｌｌ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕＩｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｖ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｏｏｄｅｌ．Ｂａｓｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｏｐｅｎｉｎｇ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｆｉｂｅｒ ｐｌｙ ａｎｇｌｅ ｇｕｌａｒ ｏｐｅｎｉｎｇ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ａ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
高为５００ ｔｕｒｎ（含过渡段），圆柱壳厚度为２ １Ｔ１１ＴＩ。考 虑轴压试验夹持情况影响，在圆柱壳试验段的两 端，设置了长为７０ １ＴＩＢｌ的加强过渡段，过渡段的铺 层方式为［９０：／４５／０。／４５／９０／±４５ ｚ／９０／
４５／０ ３／
４５／９０，］。，共４０层。Ｔ７００／６８０８复合材料弹性性能 参数如表１所示。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈｅｌｌ；ＣＯＶｅｒ；ｂｕｃｋｌｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
复合材料层合板具有比模量高、比强度大、可 设计性强及良好的抗疲劳性能等多项突出优点，使 其在航空、航天飞行器结构设计方面越来越具有不 可替代的作用口。。１。导弹在实际飞行过程中，弹身 壳体结构主要受到轴向载荷和内部压力作用阻］，轴 向压缩破坏是其主要的破坏形式。此外，导弹内部
收稿日期：２０１３ ０５
需要安装仪器设备，并进行检查和维修，所以需要 在弹身壳体结构上开口，并加装口盖对开口进行补 强，以保障导弹的飞行安全‘…。对轴压载荷下复合 材料圆柱壳进行设计与试验研究，具有理论研究和 工程应用价值。 对于层合板复合材料结构的屈曲性能，国内外
１５：２１ ０９；录用日期：２０１３ ０９ ２９；网络出版时间：２０１３ ｌｌ ０４ 网络出版地址：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１８０１．ＴＢ．２０１３１１０４．１５２１．００９．ｈｔｍｌ
ｏ；ｌ…ｏ
３
１．２试验方案 利用ＡＮＳＹＳ有限元软件，选取Ｓｈｅｌｌ ９９复合 材料层合单元，柱壳两端施加位移边界条件，对柱 壳结构进行屈曲分析，相应的失稳波形如图１
所示。
Ｏ ２２１ ２２４
０ ４４２ ４４９
０ ６６３ ６７３
０ ８８４ ８９７
Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ／ｒａｍ
生！
０．３
Ｅｌａｓｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
里！生！！
１１８．０
兰！！生！！
７．８
堡！！！竺！！
４．２
竺！！！竺竺！
３．０
竺１
０．３１
Ｐｏｉｓｓｏｎ
Ｓ
Ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ；Ｇ－－Ｓｈｅａｒ ｍｏｄｕｌｕｓ；ｖ Ｌｏｃａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ．
ｒａｔｓ
对对称铺层的层合板复合材料进行了数值计算，得 出了在各种边界条件下材料的弹性模量、层合板长 宽比、铺层数和铺层角度对屈曲载荷的影响。张建 武等Ｅ阳考虑横向剪切作用，对复合材料圆柱壳或部 分圆柱壳进行了精确的非线性屈曲分析，讨论了横 向剪切变形、Ｂａｔｄｏｒｆ数、径厚、长径比、铺层数和 弹性模量比对圆柱壳屈曲性态的影响。Ｖａｚｉｒｉ［９１利 用板壳理论求解了包含周向和轴向裂纹的柱壳问 题，考虑材料的正交各向异性，研究发现，增加ｏ。～ ２５。的铺层可以获得更高的屈曲强度，而增加９０。铺 层则会使屈曲强度降低。Ｓｕｎ和Ｔｏｎｇ［１０］对带裂纹 柱壳修补后的强度进行研究，结果表明，裂纹与柱 壳轴线的夹角越小，修补效果越好。李钟海等口妇 对三分之一复合材料柱面壳进行压缩性能的试验研 究和理论分析，试验得到了柱面壳的屈曲特性和破 坏载荷。 对于复合材料柱壳结构，目前大多为理论研
根据失稳变形云图可以看出圆柱壳中段变形较 为复杂，因此中段部位为应变较为复杂的区域。圆 柱壳屈曲载荷为４４２．７ ｋＮ，圆柱壳应变计布置方 案如图２所示。 考虑到复合材料圆柱壳在受压过程中可能会产 生层问破坏的情况，在圆柱壳中段３、４、５切面处 测量点的内外表面均设有单向应变计或三向应变 花，以测量圆柱壳中段内外表面的变形情况。 １．３试验结果分析 带应变计布置的完整圆柱壳如图２所示，其中 Ｆ＾～Ｆ。为圆柱壳两端测量轴向应变的应变计， Ｑ。～Ｑ。为圆柱壳两端测量环向应变的应变计，
簋合扬糌莺援
第３１卷
Ｖ０１．３１
第３期
Ｎｏ．３
６月
Ｊｕｎｅ
２０１４年
２０１４
文章编号：１０００ ３８５１（２０１４）０３
０７８１
０７
复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析
闫
光１，韩小进２，阎楚良～，左春柽３，程小全４
（１．北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京ｉ００１ ９２；２．北京飞机强度研究所，北京１０００８８； ３．吉林大学机械科学与工程学院，长春１３００２４；４．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京ｉ００１ ９１）
摘要：对完整复合材料圆柱壳轴向压缩性能进行了试验研究，得到了圆柱壳结构的破坏载荷和各测量点的载
荷应变曲线，通过分析得出结构的破坏形式为屈曲破坏。利用ＡＮＳＹＳ有限元软件建立了模型，对复合材料圆柱
壳进行屈曲分析，将有限元计算的结构变形和屈曲载荷与试验结果进行对比，计算结果与试验结果一致，验证了 模型的有效性。利用建立的有限元模型，分析了开口尺寸和铺层角度对含矩形开口的复合材料圆柱壳屈曲载荷的 影响。在开口处加装复合材料口盖对结构进行补强，补强后的柱壳结构满足强度设计要求。
复合材料学报
已经做了大量的研究。Ｋｈｏｔ［６１对轴向压缩载荷作 用下的复合材料圆柱壳的屈曲和后屈曲行为进行了 理论分析计算，结果表明，复合材料壳对损伤缺陷 没有各向同性材料壳敏感。倪庆清和岩本正治口］针
Ｎｏｔｅ：Ｅ Ｔａｂｌｅｌ
表１
Ｔ７００／６８０８复合材料弹性性能 Ｔ７００／６８０８ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
关键词： 复合材料；圆柱壳；口盖；屈曲分析；有限元分析 文献标志码：
Ａ
中图分类号：ＴＢ３３０．１
Ｂｕｃｋｌｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈｅｌｌ ｕｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｌｏａｄ ＹＡＮ Ｇｕａｎ９１，ＨＡＮ Ｘｉａｏｊｉｎ２，ＹＡＮ Ｃｈｕｌｉａｎｇ～，ＺＵＯ Ｃｈｕｎｃｈｅｎ９３，ＣＨＥＮＧ Ｘｉａｏｑｕａｎ４
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊ ｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２４，Ｃｈｉｎａ； ４．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈｅｌｌ ｕｎｄｅｒ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｌｏａｄ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ，ａｎｄ