叠层梁的位移变分解法

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目前,叠层梁已经广泛应用于工程和实际生活中。众多学者采用多种研究和计算方法,不断加强和完善了叠层梁的相关研究。叠层梁计算的重点在于确定层间接触力的大小及分布情况。为克服以往解析解所得到的的结论与实际存在偏差的问题,本文利用位移变分法对叠层梁的层间接触力进行求解。本文以简支叠层梁和悬臂叠层梁两种计算模型为主来进行计算讨论。取上下部梁单独研究,将层间接触力视为施加在下部梁上的的外力。将接触力离散化并依次加载到下部梁上,利用弹性力学的相关知识,推导出下部梁在受力过程中所储存的弹性势能的公式。利用材料力学的解析公式分别求出上部梁的形变势能公式和外力势能公式,整合得到整个叠层梁体系的势能表达式。利用最小势能原理和里兹法对叠层梁体系的势能表达式进行求解,得到上部梁的挠度曲线,进而求出叠层梁的层间接触力。根据得到的层间接触力,利用材料力学的相关知识,推导出下部梁的挠度曲线。通过上下部梁的挠度差值以及求出的层间接触力即可得出叠层梁的层间接触情况。本文所采取的方法,计算过程规范,易于利用数值软件编程计算。结果表明:当受某种荷载或荷载组合时,叠层梁层间各处接触力并非均为压力,叠层梁层间处于非完全接触状态。在这种情况下,对于层间是粘接而成的复合材料叠层梁来说,层间会有拉力出现;当全梁范围受均布荷载时,简支叠层梁和悬臂叠层梁层间各处接触力均为压力,叠层梁处于完全接触状态;悬臂叠层梁在自由端受一集中荷载时,层间为点接触。本文的主要研究成果是推导出了叠层梁体系的弹性势能公式,提出一种研究叠层梁层间接触的新方法。这个方法可以作为叠层梁层间接触原理的理论基础。本文所提供的叠层梁的新算法,既简便又能广泛应用其它工程计算。
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