穿透裂纹对开口复合材料柱壳屈曲性能的影响

为了解决复合材料柱壳结构成型过程中产生裂纹的问题,为复合材料柱壳类结构设计与质量控制提供参考,文中采用有限元方法分析了含穿透裂纹开口复合材料柱壳的压缩屈曲性能,分析了裂纹长度与方向的影响。结果表明,45°方向的穿透裂纹,其长度小于130mm时,柱壳屈曲强度随裂纹长度的增长略有下降;超过130mm,屈曲强度明显下降。对于定长裂纹,随着裂纹方向角的增加,结构的屈曲强度不断降低。裂纹对柱壳压缩屈曲强度的影响程度本质上取决于裂纹对原有载荷传递路径的影响程度。

开口复合材料柱壳屈曲与补救有限元分析

用有限元法对含有轴向裂纹的开口加强复合材料柱壳结构进行了补救研究;分析其压缩屈曲强度与模态情况,得到了裂纹长度与屈曲强度的关系,并与无裂纹的结构进行了对比。结果表明:裂纹长度在200mm以下时,对整个结构承载能力影响很小;当裂纹长度继续增大时,屈曲区域从开口上方转移到裂纹附近,屈曲强度开始急剧下降。为了加强裂纹所在区域结构的承剪能力,进行适当的修补后,可使屈曲模态与无裂纹柱壳相同,且屈曲强度稍有增加,从而证明了所提出补救方法的有效性。

复合材料加口盖柱壳的设计与分析

基于ABAQUS软件,建立了1/3复合材料加筋柱壳结构的有限元模型,并对其压缩性能进行了分析,结果表明:结构的破坏形式为压缩稳定性破坏。在此基础上,研究了口盖的材料、铺层、尺寸等对带口盖加筋柱壳压缩性能的影响,为满足工程需要提出了对柱壳结构开口尺寸及口盖设计的改进方法。通过对改进结构进行分析表明,将口盖铺层的纤维整体偏转25°,能够使柱壳屈曲载荷提高6.8%,口盖选用与基体结构相同的复合材料比选用金属材料好。在对质量要求不高的情况下,口盖材料可以用铝合金7075代替碳纤维复合材料。

轴压复合材料柱形壳屈曲特性

以单立柱固定式海洋平台的柱形壳桩腿为研究对象,得到复合材料柱形壳较为合理的结构尺寸、铺层方式,提高其轴向承载能力.首先,通过碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)材料单轴拉伸试验得到复合材料柱形壳试验样本的材料属性,用于柱形壳的计算与分析.其次,基于复合材料薄壳理论,得到轴压复合材料柱形壳屈曲临界载荷解析解,对比线弹性屈曲有限元分析,验证了理想柱形壳有限元模型建立的正确性.再次,由复合材料柱形壳缺陷测量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,对比非线性屈曲有限元分析,验证了缺陷柱形壳有限元模型建立的正确性.最后,结合线弹性屈曲分析结果,引入模态缺陷,从线弹性和非线性屈曲分析两个方面,研究铺层角、铺层数、各层纤维厚度、几何尺寸对复合材料柱形壳轴向承载能力的综合影响规律,得到各模型的屈曲特性与缺陷敏感性.从生产制造与工程实际出发,建立一种系统的CFRP型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.

模态缺陷条件下复合材料柱形壳屈曲特性

为了开展多模态缺陷条件下复合材料柱形壳的屈曲特性研究,进行了理想柱形壳在轴压工况下的线性屈曲分析,得出前50阶屈曲失稳模式,即模态缺陷;基于弧长法研究不同模态缺陷条件下复合材料柱形壳的非线性屈曲特性;将有限元分析结果、NASA SP-8007规范计算结果与Bisagni试验结果作对比分析。结果表明:对于轴压柱形壳屈曲问题,第1阶模态缺陷不是最差缺陷,在第1阶模态缺陷条件下求出的非线性屈曲载荷比试验值高出较多;高阶模态缺陷条件下的复合材料柱形壳非线性屈曲计算结果与试验结果最为吻合,两者相差较少;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求出的屈曲载荷非常保守,低于试验值较多,用NASA方法进行复合材料柱形壳的设计,往往会导致结构笨重、材料浪费、性能降低。