基于态基近场动力学的碳化硅陶瓷圆柱壳体断裂损伤分析

碳化硅(SiC)陶瓷材料具有优异的力学性能,广泛应用于各种工程部件中.然而,陶瓷是脆性材料,当发生脆断时会造成巨大的危害.因此对其断裂行为的准确预测显得极为重要.为了研究SiC陶瓷壳体在外载荷作用下的断裂损伤机理,首先通过准静态拉伸和压缩实验获得SiC陶瓷的临界能量释放率,建立了适用于拉伸和压缩损伤分析的常规态基近场动力学模型.然后,采用Fortran语言编程实现了陶瓷壳体在线性递增外载荷作用下断裂损伤行为的数值仿真,并将所获得的仿真值与理论预测值进行对比,验证了所建模型的准确性.最后,对仿真结果进行详细分析,揭示了壳体结构的损伤扩展演化规律.仿真结果表明:初始损伤区源于壳体内壁面的压缩断裂,且沿环向呈90°均匀分布.随着载荷的逐渐增加,壳体外壁面出现拉伸断裂损伤区,内外壁面的损伤区先沿着周向扩展,再向着壳体中面缓慢延伸,并在厚度方向贯穿整个壳体.随后,在壳体轴线方向出现拉-压损伤混合区,该损伤区沿着轴向扩展,最终将壳体分成4个断裂区.所建模型能够有效地描述复杂载荷作用下SiC陶瓷结构的断裂损伤演化过程,同时弥补了态基近场动力学在断裂分析方面的不足.

静水压力下纤维缠绕圆柱壳体的稳定性分析

为更清楚地认识静水压力作用下纤维缠绕圆柱壳体的耐压特性、解决深海耐压舱体的结构稳定性问题以及给工程设计提供参考,有必要对纤维缠绕圆柱壳体的结构稳定性进行深入研究。在弹性薄壳理论的基础上,推导出纤维缠绕圆柱壳体稳定性控制方程,采用Galerkin方法求解纤维缠绕圆柱壳体受静水压力作用下的临界失稳载荷。以正交缠绕、金属-纤维缠绕复合结构、斜交缠绕等几种形式的壳体结构为对象进行解析,并与实验结果对比,验证了求解的有效性和正确性。在此基础上,建立了基于遗传算法与解析方案一体式的优化平台,对[(±θ)12],[(±θ1)x/(±θ2)12-x]及[(±θ1)4/(±θ2)4/(±θ3)4]缠绕形式的圆柱壳体进行优化设计,研究纤维缠绕角度、对应层数及设计变量个数对临界失稳载荷的影响。结果表明,纤维缠绕角度对临界失稳载荷有显著影响,通过数值优化稳定性分别提高31.31%,43.25%及57.17%;随着角度变量的增加,优化得到的临界失稳载荷越大,最优可提高57.17%。

静水压力下碳纤维缠绕复合材料圆柱壳体应变特性及承载能力研究

为研究静水压力下纤维复合材料圆柱壳体及不同封头结构形式的应变特性及承载能力,首先开展了静力测试研究。测试了舱体内不同测点的轴向应变和环向应变,并且对比分析了椭球封头和半球封头承载能力。进行爆破实验测试,开展应变非线性分析,研究测点应变与裂纹扩展路径的关联,探究结构破坏模式。结果表明:随着载荷的增加,应变增加,不同测点的应变幅值逐渐表现差别,呈不同程度的非线性;沿圆周裂纹的顺时针方向,轴向应变幅值逐渐降低,降幅达20%,环向应变幅值逐渐增加,增幅达94%;载荷增加到一定程度,舱体最终的失效模式是强度破坏,失稳形态不明显。

基于近场动力学理论的圆柱壳体渐进损伤分析

为了研究圆柱壳体在侧压作用下的强度损伤机理,采用近场动力学数值方法对其强度损伤的萌生、扩展演化过程进行仿真分析.首先,对键基近场动力学理论进行了回顾.考虑到该模型中长程力对计算精度的影响,引入核函数对其进行改进,建立了适用于求解三维问题的改进型键基近场动力学模型.其次,将最大应变准则作为评估键断裂与否的标准嵌入改进的模型中.采用FORTRAN语言编程实现了单调递增侧压作用下壳体强度损伤行为的数值仿真.最后,对仿真结果进行分析,揭示强度损伤演化规律.仿真结果表明:损伤区最先出现在壳体内壁面,且呈90°均匀分布;随着压力的增加,壳体的外壁面上出现两个新的损伤区,随后内壁面和外壁面上的损伤区同时向壳体中面扩展;在整个损伤演化过程中,壳体的损伤程度随载荷的线性增加而呈指数形式增长.该方法能为壳体在复杂载荷作用下的强度预测和防护提供指导.

Buckling Optimization of Composite Cylinders for Underwater Vehicle Applications Under Tsai-Wu Failure Criterion Constraint

An optimization framework is developed to maximize design pressure of composite cylindrical shell subjected to hydrostatic pressure. Genetic algorithm(GA) integrated with numerical analysis is used in the framework to find optimal winding pattern of the composite cylinders. As a novelty, unlike other studies only considering buckling, in this study, material failure is taken as design constraint in the optimization problem.Sensitivity analyses are performed to study the effects of design variables on the buckling pressure, material failure pressure and design pressure. Comparative study is carried out to analyze the buoyancy factors of the cylindrical shell made of metal alloys and composites. Results reveal that as the shell thickness of the cylinder increases, the material failure pressure instead of the buckling pressure determines the design pressure. It can be concluded that reliable winding pattern designs can be achieved for composite cylinders under hydrostatic pressure when the Tsai-Wu failure criterion is considered.