轴压下非黏结柔性立管响应特性的数值计算方法

为避免传统数值方法对非黏结柔性立管骨架层和抗压铠装层简化导致其应力计算不准确的问题,给出了非黏结柔性立管响应特性的一种数值计算方法,计入骨架和抗压铠装层实际截面形状及层间相互作用,既能保持各层几何形状与真实形状高度一致,又具有高效、高精度的特点,能够有效模拟骨架和抗压铠装层受力、失效及层间接触.计算了8层非黏结柔性立管在轴向压缩载荷下的响应特性,结果表明:数值解与理论值吻合较好;承受压缩载荷的主要为拉伸铠装层;非黏结柔性立管抗压刚度远小于抗拉刚度;立管顶端边界条件对轴向压缩性能影响不大.     

防摩擦层对非粘结柔性立管截面力学性能影响

以一类八层非粘结柔性立管为研究对象,对防摩擦层分别采用计入实际几何形状的螺旋带模型和简化的圆柱壳模型,采用理论和数值方法计算立管在不同边界下的轴向及扭转刚度.计算结果表明:数值解与理论值符合较好;在轴向拉力、逆时针扭矩、顺时针扭矩(限制立管轴向位移)下,使用两种防摩擦层模型对立管刚度影响可以忽略;在轴向压力、顺时针扭矩(自由边界)下,采用圆柱壳模拟防摩擦层会大幅增大立管刚度.     

纤维缠绕玻璃钢夹砂管在外载荷作用下弯曲分析

利用Donnd-Mushtali近似理论对复合材料层合圆柱壳的基本理论进行工程允许条件下的简化,并利用双重富里叶级数的方法求解了往复式交叉缠绕玻璃钢管在外载荷作用下的弯曲问题,最后给出了夹砂管承受径向和轴向载荷作用下弯曲问题的数值算例。     

芳纶短纤维增强橡胶复合材料界面力学性能表征及有限元模拟

基于Python-ABAQUS二次开发,考虑芳纶纤维与橡胶基体之间的非理想界面,生成了随机芳纶短纤维增强橡胶复合材料的二维代表体积单元.对芳纶短纤维增强橡胶复合材料(aramid fiber-reinforced rubber composite, AFRC)数值模型施加周期性边界条件进行仿真分析,并结合单轴拉伸实验研究了纤维体积分数对AFRC拉伸性能的影响.采用内聚力模型对界面的力学行为进行描述,分析界面性质对AFRC轴向拉伸性能的影响.结果表明,在弱界面刚度区域,AFRC的有效弹性模量随纤维体积分数的增加而降低;在强界面区域,AFRC的有效弹性模量随纤维体积分数的增加而增加.利用不同纤维含量的AFRC测得的宏观有效弹性模量可通过刚度-模量曲线预估非理想界面的内聚力模型参数.     

螺旋条带局部变形对柔性立管弯曲响应的影响

推导出非黏合柔性立管弯曲时螺旋条带曲率和挠率的变化量,采用能量法考虑了这一局部变形对螺旋层弯矩-曲率关系和弯曲刚度的贡献,并基于此建立了柔性立管弯曲响应分析的理论模型.算例分析表明:条带的局部变形对立管完全滑移刚度的影响较大,应在分析时予以正确考虑;将理论分析与实验测试的结果进行了对比,二者符合较好;条带的局部变形还将引入相应的应力成分,采用梁理论对此进行了计算,与商用软件的结果对比显示其对应力的影响较大.     

具脱层复合材料层合圆柱壳的屈曲分析

研究了具有环向贯穿脱层圆柱壳的屈曲问题．首先基于Donnell薄壳理论和初始后屈曲理论的相邻平衡准则,建立了复合材料脱层圆柱壳的屈曲微分方程以及相应的边界条件、位移连续条件和力平衡条件．然后采用分离变量法对方程求解,讨论了脱层大小、深度、位置以及复合材料纤维铺层方向对脱层圆柱壳屈曲载荷的影响．结果表明：脱层长度越大、越靠近壳的外表和壳的轴向中心,结构的屈曲载荷越低;另外,对复合材料脱层壳而言,纤维铺层方向对结构屈曲载荷的影响也较大．     

基于能量法的非黏合柔性立管轴对称响应分析

给出一种在轴对称载荷作用下非黏合柔性立管响应的理论分析模型.首先基于能量法推导出柔性立管各层的平衡方程并写成矩阵形式,得到其刚度矩阵;然后将各层刚度矩阵进行组装并考虑边界条件得到总刚度矩阵,进而通过迭代求解出所有变量.该方法可自行判断柔性立管各层之间可能发生的分离并相应调整层间的接触压力,因而可以考虑轴向刚度和扭转刚度之间的耦合以及载荷施加的方向.将理论分析结果与实验测试进行了对比,二者符合良好.讨论了二者之间存在偏差的原因,结果显示柔性立管各层之间的初始间隙对此影响较大.     

轴向承载力作用下非粘结柔性立管的侧向失效分析

利用非线性有限元方法研究柔性立管在轴向承载力作用下的失效特性,采用实体单元模拟柔性立管抗拉铠装层、强结构带层和外部聚合物层,并考虑材料非线性、几何大变形、接触和摩擦等非线性效应的影响,通过数值模拟分析了柔性立管抗拉铠装层的螺旋钢带数、摩擦系数和外部聚合物层厚度等因素对非粘结柔性立管的失效模式和轴向承载能力的影响.结果表明:与采用部分螺旋钢带的简化模型相比,在抗拉铠装层采用全螺旋钢带数目的模型的失效过程更为复杂,其轴向承载力出现了多个峰值;摩擦系数对立管失效模式的影响很大,摩擦系数较小时立管为侧向失效,摩擦系数较大时立管为径向失效;外部聚合物层厚度对立管侧向失效时的最大轴向承载力影响有限.     

黏弹性基体中FG-CNTRCs圆柱壳热振动特性分析

建立了考虑碳纳米管（Carbon Nanotubes,CNTs）尺度效应的宏观功能梯度碳纳米管增强复合材料（Functionally Graded Carbon Nanotubes Reinforced Composites,FG-CNTRCs）圆柱壳自由振动特性的理论模型. 综合考虑CNTs的取向和尺度效应,基于Eshelby-Mori-Tanaka（EMT）方法和非局部理论建立了宏观CNTRCs的非局部EMT本构模型. 基于Kirchhoff-Love圆柱壳假设,采用Hamilton原理推导了热环境中visco-Pasternak基体中FG-CNTRCs圆柱壳的自由振动控制方程,利用Navier法得到两端简支圆柱壳的固有频率,并与文献中结果进行对比,验证了模型和方法的正确性. 分析了非局部参数、CNTs的体积分数和分布方式、圆柱壳的长厚比、环境温度以及地基参数等对简支FG-CNTRCs圆柱壳自由振动特性的影响. 研究发现,考虑CNTs的尺度效应后会降低FG-CNTRCs圆柱壳的抗弯刚度,环境温度对简支FG-X-CNTRCs圆柱壳固有频率虚部的影响随CNTs体积分数的增大而增大,且长厚比和地基的阻尼参数对虚部的影响有耦合作用.     

纤维缠绕圆柱壳轴对称分叉屈曲

讨论了多层复合材料圆柱壳在轴向压缩载荷的条件下的对称分叉屈曲。基于Ｄｏｎｎｅｌｌ方程，将位移法与复数解法推广应用于纤维缠绕圆柱壳的稳定性问题。提出了壳体在轴向压缩下的轴对称屈曲模态以及临界载荷的算法，特别着重考虑了各类边界条件与耦合效应。其理论和结果可直接应用于固体火箭发动机壳体的结构设计。     

非粘结柔性立管轴对称载荷作用下的理论模型分析

非粘结柔性立管结构复杂,建立一个高效的力学模型非常关键。本文基于最小势能原理,建立了柔性立管在轴对称荷载作用下的刚度矩阵,通过罚函数方法得到表示层间法向接触关系的附加矩阵,将2个矩阵相加即得到柔性立管的整体刚度矩阵。利用此模型讨论了罚参数的取值,分析了柔性立管在拉伸和扭转荷载作用下的力学响应,并与数值模拟和实验结果进行了对比。研究表明:罚参数的取值越大,计算精度越高,但是取值过大会引起方程病态,结果不准确。该理论模型能够正确反映非粘结柔性立管在轴向拉力和扭矩作用下的力学特性,为工程设计的初始阶段提供了一定的参考依据。     

复合材料薄壁圆柱壳动态弹性模量的研究

提供了一种将试验和理论分析相结合的方法来研究复合材料薄壁圆柱壳的动态弹性模量.采用稳态正弦激振试验获得玻璃/环氧树脂复合材料薄壁圆柱壳的固有频率及振型,应用有限元方法计算各阶固有频率对应的动态弯曲弹性模量,并对结果进行数据拟合,得到动态弹性模量与激振力频率之间的Lorentzian函数关系.结果表明,动态弯曲弹性模量远小于静态值,而且随着振动频率的增大而不断减小,Lorentzian函数可以用来较好地描述动态弯曲弹性模量与振动频率之间关系,将该函数关系应用于Donnell简化壳理论计算的圆柱壳固有频率与试验结果相吻合.     

碳纤维波纹管弯曲刚度的测量及有限元分析

飞轮存储动能正比于其转动惯量和角速度平方,使用碳纤维复合材料可有效提高转子线速度,而通过波纹管连接圆筒的多节式飞轮转子设计,不仅便于增大转动惯量,而且考虑到波纹管弯曲刚度对转子固有频率的影响,可实现在较低转速下过临界,增大工作转速范围。该文针对渐变铺层的碳纤维波纹管,通过轴向施力法测量其静态弯曲刚度,建立对应的有限元模型,计算不同载荷下线性和考虑几何非线性的弯曲刚度,并模拟不同下铺层的弯曲刚度。研究结果表明:波纹管弯曲刚度与载荷是非线性关系,载荷较大时测量值与理论值数量级一致,弯曲刚度随铺层数增多、轴向铺层比增加而增大,且受铺层次序影响。     

弹性介质中有限长圆柱壳的非轴对称自由振动

对弹性介质中有限长圆柱壳的非轴对称自由振动特性进行了研究,导出了弹性介质一圆柱壳耦合的频散特征方程,利用数值方法得到了圆柱壳的固有频率结果,从数值计算结果可以看出弹性介质中圆柱壳存在截止轴向模态,而截止模态与弹性介质的刚度和圆柱壳的周向模态有关,圆柱壳周围弹性介质的存在增大了圆柱壳的固有频率,研究结果对实际埋地管道振动的研究具有指导意义。     

非黏结柔性立管骨架层失效数值计算方法

计入骨架层铺设角度、初始椭圆度、材料非线性,对相邻表面分别采用黏结耦合、摩擦系数不为零的库伦摩擦和光滑摩擦3种接触条件,基于ABAQUS研究了一类非黏结柔性立管骨架层在均匀外压和对径压缩力下的失效特性.计算结果表明:骨架层相邻表面间接触条件对失效特性影响较大;铺设角度对骨架层失效特性的影响可忽略不计;计入初始椭圆度和材料非线性后,均匀外压下骨架层临界压溃值大幅降低,对径压缩力下径向位移大幅增大.文中数值方法可弥补理论方法无法计入上述因素对骨架层失效特性影响的缺陷.     

含分层损伤复合材料圆柱壳非线性动力响应

基于一阶剪切变形理论,由Hamilton原理推导出包含横向剪切变形以及初始几何缺陷的圆柱壳非线性动力方程.复合材料圆柱壳上的初始几何变形以初始几何缺陷的方式描述并引入方程,针对破坏子层进行刚度折减,并求得脱层损伤的等效刚度矩阵.采用半解析法求解方程,其中位移及载荷沿周向级数展开,由Galerkin方法得到微分方程组,通过有限差分法求解;分析初始几何变形、伴随脱层及子层破坏等损伤形式对复合材料圆柱壳非线性动力响应的综合影响.     

纤维缠绕火箭发动机外壳的非线性稳定

应用复合材料的理论，对纤维缠绕圆柱壳的稳定性进行了分析，提出了壳体在轴向压缩下的临界载荷的算法。     

单向短纤维增强复合材料纵向弹性模量预测

建立含单纤维和基体的双圆柱复合材料细观力学模型,采用基体剪应力的Lame形式推导得到纤维轴向应力计算方程和纤维长度影响因子λ的表达式。依据纤维长度影响因子和混合定律得到了单向短纤维增强复合材料纵向弹性模量的计算公式,探讨纤维长径比和体积分数等细观结构参数对材料纵向弹性模量的影响。将计算公式得到的材料纵向弹性模量与Halpin-Tsai和Darlnigton方程得到的结果与实验值进行了对比。结果表明,计算公式预测值更接近于实验值。     

建立表层嵌贴FRP板条-混凝土界面黏结-滑移模型的方法

提出一种建立表层嵌贴纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)板条-混凝土界面黏结-滑移模型的高精度数值分析方法.通过该方法,仅利用相关试验中施加的各级荷载值,及其对应的FRP板条加载端与自由端的滑移值,即可确定黏结-滑移模型中的各待定参数.通过MATLAB编程实现了该数值分析方法,并通过一系列拉拔弯曲黏结节点试验数据验证了该方法的可靠性,进而分析了混凝土强度、FRP板条黏结长度等因素对黏结-滑移模型的影响.最后利用得到的界面黏结-滑移模型,探讨了表层嵌贴FRP板条加固混凝土梁的裂缝计算问题.     

基于损伤演化的钢绞线网/ECC黏结滑移关系

为进一步探究高强钢绞线网与水泥基复合材料(ECC)的黏结滑移关系,通过高强钢绞线网在ECC内部黏结滑移微观机理分析,充分考虑钢绞线直径对其黏结滑移曲线初始切线刚度的影响,引入损伤力学理论对现有钢绞线网与ECC黏结滑移模型进行了修正.经模型验证,分析表明修正后模型计算结果与试验结果符合良好,尤其是上升段具有更好的精确性.此外,将修正后模型引入到有限元模拟分析中,采用ABAQUS软件中的Spring-2非线性弹簧单元来模拟高强钢绞线网与ECC的黏结滑移特性,对高强钢绞线网与ECC拉拔试验进行有限元模拟分析.结果表明:数值分析结果与试验结果符合良好,进一步验证了模型的精确性,以及数值分析方法的可行性和适用性.