非均匀变温环境中简支层合拱热弹性力学解

具有轻质高强、可设计强、耐高温等优良特性的复合材料层合结构在我国被广泛应用于航空航天、建筑结构、公路桥梁等工程领域。该文基于热传导方程和热弹性理论,建立变温环境中层合拱结构理论计算模型,研究了变温环境中二维层合拱的热力学行为,得到结构温度、热应力和位移解析解。利用线性叠加原理,将层合拱非齐次温度边界转化为齐次温度边界,基于结构内层间温度和径向热流密度的连续性,建立内、外侧温度和热流密度关系,联合内、外侧温度边界条件,得到层合圆柱拱内温度场解析解。以位移和应力作为状态变量,建立状态空间方程。基于层间位移和径向应力的连续性,借助传递矩阵法,推导出两端简支层合圆柱拱内外侧位移和应力关系,并同时对层合拱内外侧应力边界条件进行傅里叶级数展开,最终得到位移和热应力解析解。收敛性分析和数值结果比对表明了该方法的有效性和准确性。利用该文方法,探讨了外部温度环境、结构尺寸、结构层数及材料组分,对结构内温度、热应力及位移分布的影响,为变温环境下层合拱的设计提供了理论依据。