复合材料圆柱壳的动力屈曲及侵彻行为研究

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复合材料由于其强度和刚度高、抗疲劳和抗震性能好、结构的可设计性和工艺性好等因素,被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑、化工、造船等领域,其屈曲问题一直是固体力学中十分活跃的研究课题之一,备受广大学者的关注。但因处理问题的角度和方法不同,故最终得到的结果有一定差异。基于此,本文做了如下工作:   1.简述了复合材料结构动态响应及屈曲问题的研究现状,总结复合材料板壳屈曲问题的研究方法与结论。   2.考虑应力波效应,基于Love理论分析了相同铺层角度复合材料圆柱壳在阶跃载荷作用下的动力屈曲问题,分析控制方程解的性质,给出了动力屈曲解析解。由屈曲解的非平凡性得到屈曲临界条件,即特征行列式等于零。数值求解含双参数的特征行列式,得到了屈曲临界载荷与屈曲临界长度的关系,对其拟合可得到屈曲临界载荷为:一端夹支一端固支圆柱壳的动力屈曲临界载荷Ncr=(n21+n22)π2D11/l2,其中n1=n,n2=n+2(n=1、2、3……)。当n1=1,n2=3时,得到最小临界载荷值,即Ncr=10π2D11/ι2。一端简支一端固支圆柱壳的动力屈曲临界载荷和临界长度的关系:Ncr=(n21+n22)π2D11/ι2,n1=n,n2=n+1(n=1、2、3……)当n1=1,n2=2时,最小临界载荷为:Ncr=5π2D11/ι2。   3.用Abaqus6.10有限元分析软件,模拟了复合材料圆柱壳在阶跃载荷、刚性质量块轴向冲击下的动力屈曲。得到了圆柱壳冲击截面上关键点的轴向位移时程曲线,应用B-R屈曲准则,由此得到了复合材料圆柱壳动力临界屈曲载荷;分析了不同铺层角度、冲击速度对复合材料圆柱壳动态屈曲的影响。研究结果表明:阶跃载荷作用下,其临界屈曲载荷随着铺层角度的增大而减小;相同铺层角度及边界条件,随着冲击载荷的增大,动态屈曲临界时间减小。   4.本文应用LS-DYNA、ABAQUS/Explicit等大型有限元软件,对不同弹体形状、不同圆柱壳尺寸和不同约束条件下金属薄壁圆柱壳及纤维增强壳的侵彻问题进行了计算机模拟。对金属材料冲击,结果表明:不同头部形状的弹体侵彻相同条件下的薄壁圆柱壳,其临界速度有很大的区别,其中锥形弹体的临界速度最小,圆柱形弹体的临界速度最大,但是完全穿透所需的速度半球形弹体最小,锥形弹体其次。约束条件对临界速度的影响随着壁厚的增加而减弱。不同厚度的薄壁圆柱壳在具有相同初始动能的弹丸冲击下能量分配有很大的区别。两端固定的薄壁圆柱壳,在一定长度范围内,随着长度的增加,弹体侵彻圆柱壳的临界速度也在增加。对两端固支的薄壁圆柱壳经受平头、锥形弹体以不同入射角度冲击的问题进行了计算机模拟。平头弹体在45°入射角时,临界速度最小。圆柱壳在锥形弹体冲击下,临界速度在入射角为15°时最小,大于15°后随着入射角度的增加而增加。对纤维增强复合材料圆柱壳冲击,得到了不同入射角及不同铺层角度对侵彻的影响。
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