Experimental and numerical studies on buckling and post-buckling behavior of T-stiffened variable stiffness panels

Currently,experimental research on variable stiffness design mainly focuses on laminates.To ensure adaptability in practical application,it is imperative to conduct a systematic study on stiffened variable stiffness structures,including design,manufacture,experiment,and simulation.Based on the minimum curvature radius and process schemes,two types of T-stiffened panels were designed and manufactured.Uniaxial compression tests have been carried out and the results indicate that the buckling load of variable stiffness specimens is increased by 26.0%,while the failure load is decreased by 19.6%.The influence mechanism of variable stiffness design on the buckling and failure behavior of T-stiffened panels was explicated by numerical analysis.The primary reason for the reduced strength is the significantly increased load bearing ratio of stiffeners.As experimental investigations of stiffened variable stiffness structures are very rare,this study can be considered a reference for future work.

复合材料船体帽型加筋板面内刚度

复合材料船体结构主要由加筋板架构成,其强度设计的核心问题之一在于定量计算复合材料加筋板面内刚度。为此,首先基于纵向和横向拉伸变形,利用变形协调和卡氏定理给出了复合材料帽型加筋层合板面内刚度的解析表达式;然后,开展了复合材料帽型加筋层合板纵向和横向拉伸实验,实测板的应变并与等效刚度对应的解析解进行比较;最后,用ABAQUS有限元软件计算复合材料帽型加筋板的应变和变形,折算出面内刚度。研究结果表明:解析解、数值解及实验值三者很接近,验证了等效面内刚度解析解的正确性,为复合材料帽型加筋板强度设计奠定了一定的理论基础。

不同筋材对复合材料加筋板水中透声性能影响试验研究

[目的]为探索使用复合材料筋材替代钢质桁架的可行性,针对加筋板近场声散射特性,提出复合材料筋材设计方案,并开展相关试验研究。[方法]首先,基于水声材料测试标准建立加筋板透声性能试验方案;然后,通过消声水池自由场标定及扁钢与钢质桁架的透声性能对比,验证试验环境与试验条件的可行性;最后,通过试验分析正入射与斜入射条件下加筋板的透声性能规律。[结果]结果表明:在正入射与斜入射条件下,加筋板的透声性能规律基本相同,其透声性能依次为裸板>钢质桁架>复合材料帽型加筋板;复合材料筋材的透声性能受入射面横截面积的影响较大,横截面积越小的加筋板其透声性能越优。[结论]研究结合试验分析探索了未来研制高透声复合材料加筋板的方向,即在保证弯曲刚度相等的前提下,复合材料筋材应尽量采用镂空结构形式,并尽可能降低其入射面横截面积;另在设计筋材时应尽可能减少材料使用的种类,以减少筋材中不同材料界面的数量。

考虑可制造性的变刚度复合材料加筋壁板的优化设计

由于变刚度复合材料具有更大的设计空间,能更充分发挥复合材料各向异性的优势,研究其优化设计方法越来越重要。本文首先考虑了工形长桁加筋壁板变刚度复合材料的可制造性,并通过自动铺丝工艺试验获得了纤维的变角度极限范围。研究了壁板面板的铺放角度对加筋结构屈曲强度的影响,然后利用Python编程,结合Abaqus有限元软件通过遗传算法对工形长桁加筋壁板的面板铺层设计进行了优化。研究发现,纤维角度变化宜控制在20°范围内,当面板与筋条同时承受压缩载荷时,面板为纯0°铺层的加筋结构的屈曲强度比纯90°铺层时要低;遗传算法稳定且收敛性好,通过优化后的结果发现,纤维角度集中在60°~65°时,加筋结构的屈曲强度最高。变刚度复合材料可提高加筋壁板屈曲性能,应用前景广阔。

正交加筋板中板梁耦合动力特性

[目的]旨在探究正交加筋板中板梁构件的动力耦合关系及其对正交加筋板本征动力特性的影响机理和影响规律。[方法]以不同弯曲刚度比的正交加筋板模型为研究对象,采用有限元法计算自由边界和固支边界下正交加筋板模型的固有频率及振型,通过分析正交加筋板模型的固有频率及振型随板梁弯曲刚度比的变化规律,探究正交加筋板中加强筋与平板两种构件间的动力耦合特性。[结果]研究表明,在板梁构件弯曲刚度变化过程中,正交加筋板主要表现为板类动力特性为主导和板梁耦合动力特性两种形式。得到了这两种形式转变过程中的临界板梁弯曲刚度比及其判据。[结论]板梁动力耦合现象对固有频率的影响主要表现为改变固有频率随弯曲刚度比的变化速率,对固有振型的影响主要表现为使板类振型产生错位分布和形态畸变。

采用Beam单元模拟复合材料加筋桁条的优化分析

通过刚度矩阵转换,将层合板材料等效为3D各向异性材料,并采用Beam单元模拟加筋桁条。在满足加筋壁板应变约束条件下,将加筋桁条的尺寸作为设计变量,加筋壁板的重量和屈曲因子作为目标函数,对Beam单元和Shell单元模拟加筋桁条的有限元模型进行优化设计。结果表明:Beam单元有限元模型能够达到Shell单元模型的精度,一阶屈曲模态图和优化结果基本相同;Beam单元可以代替Shell单元模拟加筋桁条,节约优化时间,提高优化效率。

复合材料加筋板铺层优化设计的等效弯曲刚度法

借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,建立了一种复合材料加筋板铺层顺序优化设计算法。等效弯曲刚度法基于层合板的弯曲刚度与其失稳载荷一一对应的关系,将任意铺层顺序的层合板等效成一个只有8层的对称铺层的辅助层合板,通过优化辅助层合板,得到层合板的最优弯曲刚度参数,最后以获得的最优弯曲刚度参数为约束应用遗传算法进行铺层顺序优化,获得接近最优解的解答。算例表明,通过引入等效弯曲刚度法,实现了复合材料加筋板的铺层顺序优化设计,并且效果明显。

复合材料加筋板结构的并行空间协同优化设计方法

提出了使用并行子空间协同优化设计方法对复合材料加筋板结构的布局参数和铺层顺序进行协同优化。该方法分为3步:(1)以筋条型式、数量、尺寸和铺层厚度为变量,考虑静强度和稳定性要求,建立3个并行的子优化问题,实现了布局优化;(2)以层合板的各铺层角作为设计变量,考虑层合板的制造和工艺约束,以等效弯曲刚度为中间变量,实现了复合材料加筋板的蒙皮和筋条的铺层顺序优化;(3)通过协调稳定性约束,实现综合优化。本文完成了一个典型算例,算例结果表明,该方法不仅合理而且有很好的优化效果。

复合材料加筋板结构的二级协同优化设计方法

针对复合材料加筋板结构的布局和铺层优化问题,发展了一种二级优化设计技术。第一级采用基于近似模型技术的布局优化方法,以筋条形式、个数、截面形状和铺层厚度作为设计变量,以结构质量最轻为目标函数,实现加筋板结构布局形式和截面尺寸的布局优化;第二级借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,考虑层合板的制造和工艺约束,以层合板的各铺层角作为设计变量,以层合板弯曲刚度系数与上一级优化所给最优弯曲刚度系数之间的误差最小为目标,实现了复合材料加筋板在固定铺层层数下的铺层顺序优化;在二级优化的基础上,通过协调稳定性约束,实现综合优化。算例表明:采用二级优化设计方法,可以很好地实现复合材料加筋板的布局优化设计。

基于结构仿生的高速机床工作台轻量化设计

生物体具有性能优异、轻质高效的结构形式,体现了材料的最优化分布,为机械结构的轻量化设计提供了原型与方法。通过总结轻质高效生物体结构的构型规律,应用于高速机床工作台筋板的结构仿生设计。利用Ansys的APDL参数化语言建立优化模型,确定工作台筋板的最优结构参数。结果表明,通过布置环形夹层筋板以及最大变形梯度方向上对角筋的方法是有效的,并使结构比刚度效能提高11.29%,从而实现结构的仿生轻量化。

开口肋加劲板屈曲模态与临界屈曲应力分析

为更好掌握开口肋加劲板的设计计算方法,采用弹性稳定分析方法,对无纵向和横向加劲肋的四边简支板、纵向加劲肋等间距布置的四边简支加劲板、纵向和横向加劲肋等间距布置的加劲板进行屈曲模态和临界屈曲应力分析。结果表明:对于四边简支板或四边简支加劲板,临界屈曲应力与板宽、板长和板厚均有关,减小板宽和板长以及增大板厚可提高临界屈曲应力;随着加劲肋刚度比的变化,四边简支加劲板一般表现出3种屈曲模态,模态1为加劲肋与被加劲板共同发生整体屈曲,模态2为在加劲肋处形成波节,加劲肋与被加劲板发生屈曲,模态3为加劲肋为刚性加劲肋,不会发生失稳,只有被加劲板发生局部失稳;临界屈曲应力随加劲肋刚度比的增大而增大,模态1增大幅度最大,模态2次之,模态3逐步趋于定值。

具有裂纹缺陷的加筋板的剩余拉伸强度分析(英文)

对具有裂纹缺陷的加筋板的剩余强度进行了数值分析。考虑了加筋板上的三种缺陷形式,即板和筋上的垂直裂纹,板和筋上的倾斜裂纹以及板上的裂纹和筋上的圆孔。对板和筋上的相对裂纹长度、材料属性、板和筋的厚度、裂纹开裂角度以及圆孔的直径等影响参数进行了分析。同时,将无加筋板剩余强度的经验公式推广到加筋板,并验证了公式的有效性。

多相材料格栅加筋板性能的参数化分析

采用参数化建模和有限元方法,以三种典型格栅加筋板为对象,分析了给定质量下,蒙皮与加筋分别采用不同材料、不同几何参数对结构刚度性能的影响规律。研究表明:蒙皮厚度变化会影响与之最佳匹配的加筋构型;增大加筋高度能有效提高结构刚度性能,但过大的加筋高度对结构性能的改进有限;采用比刚度大的材料可以显著增强结构性能,加筋高度一定时,蒙皮选用比刚度大密度小的材料有利于提升结构性能,而加筋厚度一定时,加筋选用比刚度大密度小的材料将降低蒙皮材料的选用对结构性能的影响。

十字加劲钢板剪力墙的变参分析

利用有限元软件ANSYS对十字加劲钢板墙进行变参分析,研究板的高厚比、高宽比、柱刚度、柱轴压比及肋板刚度比对其水平极限承载力和抗侧刚度等性能的影响,对比分析参数变化时钢板墙的面外变形和最终破坏状态的应力分布。参数分析表明:板的高厚比和高宽比变化明显改变了钢板墙的受力性能和破坏机制,对其抗侧性能影响显著;柱刚度主要影响内填板拉力带的发育,保证钢板墙的整体工作能力;肋板刚度比主要影响内填板拉力带的发展形式,防止纵横加劲肋由于肋板刚度比不足而被拉断。

加筋壁板长桁凸缘侧向稳定性设计与研究

研究加筋壁板在轴向压缩载荷作用下长桁凸缘的侧向稳定性。结合加筋壁板强度和刚度设计因素,对长桁凸缘的侧向屈曲临界载荷进行分析,并提出长桁支撑件的刚度设计指标计算方法,为工程设计人员提供指导以提高设计效率。

刚度导数法在含裂纹铆接加筋板应力强度因子计算中的应用

本文探讨了刚度导数法用于含裂纹铆接加筋板应力强度因子计算的问题。提出了选取对刚度导数矩阵有贡献元素的一种新方法,成功地解决了裂尖位于筋条轴线附近时,采用刚度导数法计算应力强度因子的困难。算例结果表明,本文提出的方法是正确有效的。文中还阐述了刚度方程降阶的方法,这种方法对于应用小容量计算机求解较大的结构分析问题,有一定的参考价值。

考虑节点域影响的钢框架节点变形机理分析

为了研究钢框架节点变形与柱、梁、节点域变形之间的一般规律,以常见的梁、柱、节点域组成的十字型钢框架节点为分析对象,以柱截面形式(箱形、钢管)、柱与梁刚度比、结构跨高比、梁柱截面高度比、柱宽与层高比等为主要研究参数,并采用弹性分析方法进行分析。结果如下:随着柱与梁刚度比和梁柱截面高度比增大,柱变形比和节点域变形比减少,而梁变形比增大;结构跨高比增大时,节点域变形比增大,梁变形比减少;钢管柱和箱形柱比较,节点域变形减小。

大宽厚比矩形钢管混凝土柱纵向加劲肋构造研究现状

超大截面矩形钢管混凝土柱具有较高的极限承载力。现行相关规范对管壁宽厚比的要求在保证管壁局部屈曲性能的同时,限制了对构件含钢率的进一步优化。在钢管壁内侧设置纵向加劲肋,可有效提高其局部屈曲性能,降低构件的用钢量,充分发挥高强钢的性能。对国内外有关管壁局部屈曲的产生机理和宽厚比限值等方面的研究成果进行了归纳总结,对国内外有关纵向加劲肋对大宽厚比钢管混凝土柱静力承载性能和抗震性能影响、加劲肋和子板件构造要求等方面的试验和理论研究进行了比较分析。基于上述工作,提出了以控制管壁局部屈曲为目标的纵向加劲肋构造设置原则及其作用机理,以及设加劲肋的大宽厚比钢管混凝土柱承载力计算等需要深入研究的方向。

交叉加劲钢板深梁弹性屈曲分析

以交叉加劲钢板深梁为研究对象,利用有限元软件ANSYS分析其弹性屈曲性能,讨论了抗弯刚度比、跨高比、钢板深梁厚度对其弹性屈曲性能的影响;考虑钢板深梁在钢框架的弯剪受力特性,根据板的经典理论建立了交叉加劲钢板深梁屈曲荷载计算公式,提出了等效屈曲系数。结果表明:交叉加劲钢板深梁的临界屈曲荷载随抗弯刚度比增大而增大,但达到门槛刚度比后,增大幅度急剧减小,得到门槛刚度比约为10;临界屈曲荷载随跨高比和板厚的减小而减小,等效屈曲系数随板厚减小而增大;等效屈曲系数与跨高比关系曲线由二次抛物线形向波浪形渐变,交叉加劲钢板深梁受力特性由剪切主导向弯曲主导过渡。

铝合金带筋板柔性多点模渐进压弯成形工艺仿真与实验

针对薄腹高筋壁板构件滚弯或压弯成形存在筋条失稳和开裂等成形难题,提出一种柔性多点模渐进压弯成形新工艺。研究了筋高比、相对弯曲半径和加载方式对柔性多点模渐进压弯成形过程的变形行为、应力应变和缺陷的影响。结果表明,该工艺与整体压弯相比,可使最大拉、压应力分别降低34.7%和37.2%,提高了带筋板条的变形稳定性。当最大筋高比为7.5、最小相对弯曲半径为150时,渐进加载方式成形件的最大等效应力为385.5 MPa,减小了3.65%,最大等效应变为2.8%,减小了14.3%,成形力29.9 kN,减小了7.7%,且相比于一次加载方式成形件的应力、应变分布更加均匀,显著提高了带筋板条的变形稳定性。