發(fā)布時(shí)間：2017-10-01 23:33

  本文關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋁合金加筋薄壁梁屈曲與極限承載特性研究

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【摘要】：鋁合金加筋薄壁梁是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主承力構(gòu)件,其靜力破壞主要是由于結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)造成的。薄壁梁屈曲問題涉及復(fù)雜的幾何非線性與材料非線性相互作用,難以進(jìn)行解析求解;薄壁梁的結(jié)構(gòu)形式往往復(fù)雜多變,這會(huì)引發(fā)復(fù)雜的局部-整體相互作用,進(jìn)一步增加了屈曲問題的復(fù)雜性;實(shí)際的薄壁梁屈曲承載特性影響因素很多,對(duì)其進(jìn)行合理的力學(xué)建模也面臨諸多挑戰(zhàn)。此外,與傳統(tǒng)加筋薄壁梁設(shè)計(jì)相比,由于材料強(qiáng)度的顯著提高,高強(qiáng)結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造會(huì)發(fā)生改變,甚至是突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所規(guī)定的適用范圍,這就需要對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在更大的參數(shù)變化范圍內(nèi)的適用性進(jìn)行驗(yàn)證和完善以指導(dǎo)高強(qiáng)加筋薄壁梁設(shè)計(jì)。鑒于此,對(duì)高強(qiáng)鋁合金加筋薄壁梁屈曲承載特性進(jìn)行研究,具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文結(jié)合實(shí)際工程技術(shù)需求,綜合解析法、有限元法與試驗(yàn)法進(jìn)行了某典型高強(qiáng)鋁合金加筋薄壁梁的彎剪承載特性研究,意在深入地探索薄壁梁承載機(jī)理,發(fā)展薄壁梁分析理論與方法,為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的改進(jìn)提供參考,主要工作包括以下內(nèi)容:之前文獻(xiàn)的定性研究已經(jīng)表明,對(duì)于橫向剪力作用下薄壁梁腹板屈曲問題,與傳統(tǒng)的均勻腹板剪切假設(shè)相比,實(shí)際的非均勻剪應(yīng)力分布可能極大地降低腹板屈曲承載力。為了將腹板非均勻剪應(yīng)力分布效應(yīng)納入工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)行了端部橫向剪力作用下薄壁梁腹板的屈曲承載特性定量分析研究。提出了一個(gè)無量綱參數(shù)來表征翼緣彎曲剛度對(duì)腹板非均勻剪應(yīng)力分布的影響。利用Rayleigh Ritz法進(jìn)行腹板屈曲載荷影響參數(shù)識(shí)別分析,證實(shí)了腹板屈曲系數(shù)除了受腹板長(zhǎng)寬比影響外還與翼緣彎曲剛度有關(guān)。進(jìn)而,進(jìn)行了Rayleigh Ritz法與有限元法的對(duì)比分析,探討了合理的腹板屈曲求解方法選取問題。利用優(yōu)選出的有限元模型進(jìn)行了腹板屈曲參數(shù)化分析,結(jié)果表明,傳統(tǒng)均勻剪切屈曲預(yù)測(cè)值最大可以比實(shí)際值提高約一倍;當(dāng)相對(duì)翼緣彎曲剛度相同時(shí)方板比其它長(zhǎng)寬比矩形板更接近均勻受剪板;驗(yàn)證了屈曲系數(shù)隨兩個(gè)自變量(腹板長(zhǎng)寬比與相對(duì)翼緣彎曲剛度)的變化具有良好的規(guī)律性。最后,基于所驗(yàn)證的規(guī)律性,提出了一個(gè)實(shí)用的腹板屈曲系數(shù)計(jì)算公式。進(jìn)行了端部橫向剪力與彎矩共同作用下薄壁梁腹板屈曲承載力設(shè)計(jì)公式研究。本文提取并定義了一個(gè)新的基本載荷分量,稱為純非均勻剪力,以此來考慮腹板中非均勻剪切應(yīng)力的影響。這樣,腹板受力可以視為均勻剪力、非均勻剪力和彎矩三種載荷的疊加。在之前的研究中已經(jīng)得到每種載荷單獨(dú)作用下腹板屈曲系數(shù)計(jì)算方法與均勻剪力-彎矩復(fù)合載荷作用下腹板屈曲承載力設(shè)計(jì)公式。本文基于有限元計(jì)算結(jié)果,提出了非均勻剪力分別與其它兩種載荷共同作用下腹板屈曲承載力計(jì)算公式。進(jìn)而,在此基礎(chǔ)上提出與仿真計(jì)算結(jié)果吻合良好的全部三種基本載荷聯(lián)合作用下腹板屈曲相互作用設(shè)計(jì)公式。此外,利用有限元法對(duì)工程中常用的將橫向剪力處理為均勻剪切與彎矩共同作用的載荷簡(jiǎn)化方法的有效性進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果表明:利用傳統(tǒng)的載荷簡(jiǎn)化方法進(jìn)行長(zhǎng)寬比大于1的寬腹板屈曲計(jì)算可能會(huì)得到偏于危險(xiǎn)的計(jì)算結(jié)果。進(jìn)行了彎剪載荷作用下某新型高強(qiáng)鋁合金加筋薄壁梁承載特性試驗(yàn)研究。與之前的薄壁梁承載試驗(yàn)研究相比,本試驗(yàn)研究最顯著的成果為揭示了一種新的針對(duì)加筋薄壁梁的局部板元承載特性相互作用,即薄壁梁中組成板元的承載特性還會(huì)受到由加強(qiáng)筋隔開的其它板元的顯著影響。傳統(tǒng)研究認(rèn)為:加強(qiáng)筋能夠發(fā)揮隔波作用,因而進(jìn)行局部板元承載力計(jì)算時(shí)無需考慮被加強(qiáng)筋隔開的其它板元的影響。本試驗(yàn)研究表明了傳統(tǒng)認(rèn)知的局限性,拓展了對(duì)結(jié)構(gòu)承載機(jī)理的理解。首先,進(jìn)行了能夠滿足特定加載要求的裝夾、加載試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研究。然后,探討了不同構(gòu)造參數(shù)(包括腹板開口和止裂筋設(shè)計(jì))與約束條件對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉O限載荷與破壞模式的影響,最后考察了初始缺陷對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统休d特性的影響。進(jìn)行了彎剪載荷作用下加筋薄壁梁承載特性的非線性仿真研究。首先,從破壞模式、極限載荷與總體承載響應(yīng)三個(gè)方面進(jìn)行了有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析,驗(yàn)證了所創(chuàng)建的兩個(gè)有限元模型能夠很好地模擬相互作用所導(dǎo)致的承載特性差異。通過仿真分析探索了試驗(yàn)研究所發(fā)現(xiàn)的加筋薄壁梁板元相互作用的發(fā)生機(jī)理。然后,進(jìn)行了參數(shù)化分析研究以深化對(duì)板元相互作用的認(rèn)知,探討了材料屈服強(qiáng)度對(duì)薄壁梁板元相互作用的影響規(guī)律;揭示了梁腹板構(gòu)造參數(shù)變化對(duì)板元相互作用的影響,其影響能夠?qū)е鲁休d特性的顯著突變,并揭示了能夠引發(fā)局部板元相互作用的構(gòu)造參數(shù)設(shè)計(jì)要求。最后,以上關(guān)于薄壁梁極限承載特性的研究均屬于薄壁梁強(qiáng)度研究范疇,鑒于剛度是與強(qiáng)度同樣重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo),本文還探究了薄壁梁承載響應(yīng)過程中的剛度變化,承載響應(yīng)結(jié)果表明薄壁梁在略低于極限載荷的載荷水平會(huì)發(fā)生剛度的顯著弱化,可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前發(fā)生剛度失效,因此本文最終提出了一個(gè)可以考慮剛度變化的薄壁梁失效判定準(zhǔn)則。
【關(guān)鍵詞】：加筋薄壁梁 高強(qiáng)鋁合金 屈曲 非均勻剪應(yīng)力 極限承載特性 承載力相互作用
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V214.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 緒論15-31
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義15-17
• 1.2 薄壁結(jié)構(gòu)彈性屈曲分析17-19
• 1.2.1 靜力平衡法17-18
• 1.2.2 有限元法18-19
• 1.3 彎剪載荷作用下薄壁梁承載特性研究19-23
• 1.4 腹板開.薄壁梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究23-25
• 1.5 初始缺陷25-27
• 1.6 相關(guān)屈曲27-30
• 1.7 本文主要研究?jī)?nèi)容30-31
• 第2章 考慮翼緣彎曲剛度影響的腹板屈曲特性研究31-46
• 2.1 引言31
• 2.2 腹板屈曲分析模型31-32
• 2.3 腹板屈曲分析的Rayleigh Ritz法32-37
• 2.3.1 僅腹板承擔(dān)外載時(shí)腹板屈曲分析32-36
• 2.3.2 翼緣與腹板共同承擔(dān)外載時(shí)腹板屈曲分析36-37
• 2.4 腹板屈曲系數(shù)求解方法的優(yōu)選研究37-40
• 2.4.1 求解腹板屈曲系數(shù)的Rayleigh-Ritz法37-38
• 2.4.2 求解腹板屈曲系數(shù)的有限元法38-40
• 2.5 腹板屈曲特性參數(shù)化分析40-43
• 2.6 腹板屈曲系數(shù)設(shè)計(jì)公式43-44
• 2.7 本章小結(jié)44-46
• 第3章 非均勻剪應(yīng)力與彎曲應(yīng)力聯(lián)合作用下腹板彈性屈曲研究46-56
• 3.1 引言46
• 3.2 腹板屈曲相互作用分析模型46-48
• 3.3 三種基本載荷單獨(dú)作用下腹板屈曲承載力計(jì)算方法48-49
• 3.4 復(fù)合載荷作用下腹板屈曲相互作用研究49-55
• 3.4.1 純彎曲與均勻剪力聯(lián)合作用下腹板屈曲設(shè)計(jì)公式49-50
• 3.4.2 均勻剪力與純非均勻剪力聯(lián)合作用下腹板屈曲設(shè)計(jì)公式50-52
• 3.4.3 純彎曲與純非均勻剪力聯(lián)合作用下腹板屈曲設(shè)計(jì)公式52-53
• 3.4.4 三種基本載荷聯(lián)合作用下腹板屈曲設(shè)計(jì)公式53-55
• 3.5 本章小結(jié)55-56
• 第4章 高強(qiáng)鋁合金加筋薄壁梁彎剪試驗(yàn)研究56-79
• 4.1 引言56
• 4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)56-63
• 4.2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造56-58
• 4.2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧闲阅?/span>58-59
• 4.2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统休d狀態(tài)59-62
• 4.2.4 試驗(yàn)設(shè)備62-63
• 4.2.5 試驗(yàn)加載過程63
• 4.3 試驗(yàn)結(jié)果63-77
• 4.3.1 載荷分配一致性分析63-65
• 4.3.2 極限載荷65-66
• 4.3.3 破壞模式66-77
• 4.4 加筋薄壁梁局部板元相互作用77-78
• 4.5 本章小結(jié)78-79
• 第5章 薄壁梁彎剪承載特性非線性仿真研究79-99
• 5.1 引言79
• 5.2 薄壁結(jié)構(gòu)載荷-響應(yīng)全過程分析方法-弧長(zhǎng)法79-82
• 5.3 有限元模型有效性驗(yàn)證82-86
• 5.3.1 有限元模型82-84
• 5.3.2 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比84-86
• 5.4 薄壁梁板元承載力相互作用機(jī)理研究86-89
• 5.5 材料屈服強(qiáng)度對(duì)薄壁梁承載特性的影響研究89-90
• 5.6 腹板構(gòu)造參數(shù)對(duì)薄壁梁承載特性的影響研究90-96
• 5.6.1 開.尺寸對(duì)薄壁梁承載能力的影響91-92
• 5.6.2 開.位置對(duì)薄壁梁承載能力的影響92-93
• 5.6.3 腹板局部厚度對(duì)薄壁梁承載能力的影響93-94
• 5.6.4 腹板局部中面偏移對(duì)薄壁梁承載能力的影響94-96
• 5.7 薄壁梁失效準(zhǔn)則研究96-97
• 5.8 本章小結(jié)97-99
• 結(jié)論99-102
• 附錄A 不同屈曲強(qiáng)度下仿真模型的破壞模式102-106
• 附錄B 不同開.尺寸下仿真模型的破壞模式106-109
• 附錄C 不同開.位置下仿真模型的破壞模式109-112
• 附錄D 不同腹板局部厚度下仿真模型的破壞模式112-114
• 附錄E 不同腹板局部中面偏移下仿真模型破壞模式114-116
• 參考文獻(xiàn)116-125
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其它成果125-127
• 致謝127-128
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷128

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：956341