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《浙江工业大学》 2012年
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反对称双稳态复合材料结构的实验与数值模拟研究

吴和龙  
【摘要】:具有两种不同稳定状态特性的复合材料结构称为双稳态复合材料结构(Bistable Composite Structure),如非对称正交铺设层合板、反对称铺设层合圆柱壳结构等。作为一种新型的先进复合材料结构,双稳态复合材料结构因其质量轻、力学性能优异及空间利用率高等优点引起了国内外诸多研究者的关注。 目前,对于反对称层合圆柱壳稳态转变力学行为的实验研究比较缺乏,而且现有理论模型得到的双稳态解与有限元模拟结果存在较大误差,这些都限制了其在实际应用中的发展。此外,对于反对称复合材料结构双稳态性能的研究也主要集中在规则反对称铺层方式,而该类结构的第二稳态卷曲半径对铺设角的变化较为敏感,即在一定范围内铺设角的略微改变便会引起第二稳态卷曲半径的明显变化,不利于反对称双稳态复合材料结构的设计。针对这些问题,本文的主要研究内容及成果如下: 1.基于经典层合板理论和最小势能原理建立了反对称层合圆柱壳结构的双稳态理论模型,发展了现有的以Iqbal为代表的理论模型。同时,对实验所制备的反对称层合圆柱壳试件进行了算例分析,得到各个试件的第二稳态卷曲半径理论解。 2.首次提出两点加载法,设计和制备了相应的实验加载压头和夹具,结合现有的拉伸试验机搭建了针对于反对称层合圆柱壳的实验测试平台。所搭建的实验平台能够驱动反对称层合圆柱壳试件发生稳态转变,对试件的稳态转变过程进行捕捉和测量。实验给出了不同试件在稳态转变过程中的载荷—位移变化曲线及稳态转变载荷,第二稳态卷曲半径的实验结果与理论解吻合较好。 3.根据两点加载法和实验环境,在ABAQUS中建立了反对称层合圆柱壳的有限元分析模型,模拟给出了壳结构尺寸、铺层数及铺设角等几何参数对反对称层合圆柱壳双稳态性能的影响规律,与理论预测结果吻合较好。第二稳态卷曲半径的有限元解与实验结果存在一定的误差,对可能导致误差的原因进行了讨论。 4.通过引入不同的铺设角,提出了一种非规则反对称层合圆柱壳结构。理论和有限元分析结果均表明,铺设角及铺层顺序的改变都会导致这种结构的双稳态性能的改变,这为反对称双稳态复合材料结构的设计和应用提供了更多的选择。
【学位授予单位】:浙江工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB33

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【参考文献】
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