轴压复合材料柱形壳屈曲特性及工程应用

摘要

复合材料具有比强度高、比模量大、可设计性强、耐腐蚀性好等特点，柱形壳具有很好的承载能力与空间利用率，常被用于海洋平台桩腿、潜水器耐压壳等结构的制造。本文研究了轴压复合材料柱形壳的屈曲特性与优化设计方法，以提高其轴向承载能力。从生产制造与工程实际出发，系统地建立复合材料柱形壳设计计算流程、失稳分析方法，对于复合材料柱形壳的设计、校核、优化具有指导性作用。
　　（1）由碳纤维复合材料单轴拉伸试验得到试验材料的力学属性，用于柱形壳的计算与分析。对轴压复合材料柱形壳进行线弹性屈曲分析，得出前50阶屈曲失稳模式，即模态缺陷。基于复合材料薄壳理论、NASA SP-8007规范，分别得到轴压复合材料柱形壳屈曲临界载荷解析解、经验值，验证线弹性数值模型正确性。基于弧长法研究不同模态缺陷条件下轴压复合材料柱形壳的非线性屈曲特性。由复合材料柱形壳三维扫描试验得到其初始几何缺陷，由轴向压缩试验得到其轴压屈曲特性。
　　（2）将数值分析结果、理论计算结果与轴压试验结果作对比分析，结果表明：对于轴压复合材料柱形壳屈曲问题，第1阶模态缺陷不一定是最差缺陷，高阶模态缺陷条件下的非线性屈曲临界载荷与试验值较为吻合；屈曲载荷下降受缺陷形状、幅值双重影响，复合材料柱形壳屈曲计算需考虑多模态问题；NASA规范求出的复合材料柱形壳屈曲载荷低于试验值较多，往往会造成结构笨重、材料浪费、性能降低。
　　（3）综合运用线弹性屈曲与非线性屈曲分析方法，研究材料铺层、壳体尺寸对轴压复合材料柱形壳屈曲特性的影响，得到较为合理的铺层方式与壳体尺寸。结合仿生学原理对柱形壳进行形状优化，运用等质量、等容积两种方法，设计与柱形壳开口直径相同的蛋形壳，并进行线弹性与非线性屈曲分析。结果表明：相对复合材料柱形壳，蛋形壳具有更好的轴向承载能力与更低的缺陷敏感度。
　　（4）从工程实例出发，以单立柱固定式海洋平台的柱形壳桩腿为背景，采用分段式模块化设计的方法，在5％多模态缺陷条件下，研究一般钢结构柱形壳桩腿、碳纤维复合材料柱形壳桩腿、碳纤维复合材料多蛋交接形桩腿的轴压屈曲特性。由DH-300电子比重计测量复合材料密度。结果表明：在相同的承载能力下，复合材料多蛋交接形桩腿具有更小的质量、更低的缺陷敏感度与更好的稳定性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第2章 轴压复合材料柱形壳理论研究

2.1 复合材料失效准则

2.2 复合材料柱形壳线弹性屈曲理论

2.3 NASA复合材料柱形壳屈曲理论

2.4 本章小结

第3章 轴压复合材料柱形壳数值分析与试验研究

3.1 复合材料柱形壳几何模型与成形工艺

3.2 复合材料柱形壳数值模型

3.3 复合材料柱形壳轴向压缩试验

3.4 复合材料柱形壳轴压屈曲结果分析与讨论

3.5 本章小结

第4章 轴压复合材料柱形壳优化设计

4.1 柱形壳铺层优化设计

4.2 柱形壳尺寸优化设计

4.3 基于蛋形结构的柱形壳形状优化设计

4.4 本章小结

第5章 轴压复合材料柱形壳的工程应用

5.1 单立柱式海洋平台桩腿设计

5.2 海洋平台桩腿数值模型

5.3 海洋平台桩腿轴压屈曲结果分析与讨论

5.4 本章小结

总结与展望

1.总结

2.创新点

3.展望

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果与科研项目

致谢