考虑湿热效应的复合材料薄柱壳结构双稳态特性研究

摘要

双稳态薄柱壳结构是一种新型的可开展结构，能通过外荷载驱动由一种稳态转换到另一种稳态，卸载后仍然能保持稳定。这种结构材质轻、力学性能较好和具有良好的变形性等特点，在可折叠结构、能量收集器及自适应结构等可变形结构等领域,应用前景十分广泛。 双稳态薄柱壳结构一般是由纤维和基体组成的复合材料制备而成，其纤维和基体的杨氏模量、剪切模量等材料属性以及纤维体积比率、铺设角、壳结构几何参数、初始几何缺陷等各种因素都可能影响结构的双稳态特性。应用环境的温度、湿度等也会使得结构的材料属性、力学性能有所降低，进而会影响到结构的双稳态特性。针对以上问题，本文采用理论分析和有限元模拟的方法对复合材料薄柱壳结构的第二稳态特性进行研究，主要内容和成果如下： 1.基于经典层合板理论和能量原理，建立双稳态薄柱壳结构的双参数理论模型，推导了正对称铺设和反对称铺设层合薄柱壳结构应变能的解析表达式。通过算例分析，得到不同参数下两种铺设方式的薄柱壳结构应变能曲线，并根据应变能曲线预测薄柱壳结构实现第二稳态的条件。着重分析了反对称铺设层合薄柱壳结构第二稳态特征受纤维基体含量、铺设角、单层壳厚度以及结构尺寸等参数影响下的变化规律； 2.改进壳结构的力学模型，理论推导了湿热效应下反对称铺设层合薄柱壳应变能的解析表达式。分析了湿热效应对反对称铺设层合薄柱壳实现双稳态的影响，并通过算例分析，理论预测了湿热效应对壳结构第二稳态扭曲率等特征的影响规律； 3．通过ABAQUS软件建立薄柱壳结构的有限元分析模型，对结构从初始稳态到第二稳态的转变过程进行了模拟，给出了纤维和基体体积比率、铺设角、结构尺寸等参数对双稳态条件以及第二稳态特性的影响规律。并通过模拟温度和湿度耦合场下双稳态结构的稳态转变过程，得到湿热效应对扭曲率等反对称铺设层合薄柱壳第二稳态特征的影响规律，模拟结果与理论预测较为吻合。

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3主要研究内容

2 复合材料薄柱壳结构本构模型

2.1 经典层合理论

2.1.1 单层壳本构方程

2.1.2 层合壳本构方程

2.2 薄柱壳结构的本构模型分析

2.2.1 薄柱壳结构的能量模型

2.2.2 不同壳结构应变能表达式

2.3 本章小结

3薄柱壳结构双稳态条件和参数分析

3.1薄柱壳结构双稳态条件

3.1.1 正对称铺设层合薄柱壳

3.1.2 反对称铺设层合薄柱壳

3.2 反对称薄柱壳结构第二稳态特性影响因素的分析

3.2.1 纤维和基体含量对第二稳态特征的影响

3.2.2 铺设角对第二稳态特征的影响

3.2.3 初始横截面半径对第二稳态特征的影响

3.2.4 铺层数对第二稳态特征的影响

3.2.5 单层厚度对第二稳态特征的影响

3.3 本章小结

4 湿热效应对薄柱壳结构双稳态特性的影响

4.1 湿热效应对材料属性的影响

4.2 单向板的湿热应变

4.3 湿热效应下薄柱壳结构的应变能

4.4 第二稳态特征及算例分析

4.5 本章小结

5 薄柱壳结构双稳态特性数值模拟

5.1 双稳态薄柱壳结构有限元模型的建立

5.2 有限元模拟可行性

5.3 不同铺设方式薄柱壳结构稳态转变过程模拟

5.4 反对称铺层薄柱壳结构的第二稳态特性

5.5 湿热效应对第二稳态的影响

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文的主要工作总结

6.2 展望

参 考 文 献

致 谢