复合材料薄壁结构热-力作用下的屈曲特性

Thin-walled structures are widely used in fields such as aeronautics and astronautics. The main failure form of them is buckling. The research of imperfect sensitivity to buckling can not meet the requirement of application, especially in composite structures with local geometric imperfect, local material property changing and local temperature elevation. Using theory analytic, numerical simulation and experimental test methods, to study the buckling characteristic of thin-walled composite structures with local temperature elevation, local geometric imperfect and under axial compression. Firstly, meshless smoothed particle hydrodynamics method will be used to analyses the response of composite structures with local temperature elevation or local ablation by laser irradiation. In the aspect of buckling analysis, simple plate with local temperature elevation will be analyzed by catastrophe theory. For complicated situation, numerical simulation will be adopted to seek the affection law of local geometric imperfect, local temperature elevation and combined of the two imperfects to the buckling characteristic of the structures. The results of this project will bring effective methods for descript the process of thin-walled composite structures with local temperature elevation, local material property changing, phase transition boundary expanding and ablation spray. Depicted the buckling process of thin-walled composite structures with local imperfects clearly. Analysis the buckling characteristic of thin-walled composite structures with local temperature elevation, local geometric imperfect and compress force. Enrichment the structural stability theory and calculation method of it for engineering.

薄壁结构广泛应用于航空航天等领域，其主要失效形式是屈曲。薄壁结构缺陷敏感性的研究远不能满足实际要求，尤其对具有局部几何缺陷、局部材料性能变化、局部升温等缺陷的复合材料结构。本项目结合理论分析、数值模拟和实验测试方法，研究局部升温及局部缺蚀或烧蚀受压复合材料薄壁结构的屈曲特性。首先采用无网格光滑粒子流体动力学方法模拟复合材料结构局部受热或激光辐照烧蚀的响应过程。在屈曲分析方面，首先用突变理论分析简单平板局部升温对结构屈曲的影响。针对更复杂情形，采用数值方法寻找几何缺陷、局部升温及两种缺陷联合作用对结构屈曲性能的影响规律。研究结果将为复合材料薄壁结构局部升温、局部材料性能变化、相变边界扩展以及烧蚀喷射过程的描述获得更有效方法；清晰描述复合材料薄壁结构多种局部缺陷对结构屈曲特性的影响过程；分析热－力联合作用下含缺蚀复合材料薄壁结构的屈曲失效特性，丰富缺陷结构稳定性理论及工程计算方法。

薄壁结构广泛应用于航空航天石化、交通等领域，其主要失效形式是屈曲失效。本项目主要内容及结果：针对复合材料薄壁结构局部几何缺陷或局部受热的情形，通过理论、仿真及实验方法，研究缺陷对结构承载力的影响，评估缺陷对薄壁结构失效的影响规律。具体包括：.(1) 薄板结构局部升温响应规律以及烧蚀扩展的数值模拟与试验研究。建立了薄壁结构局部升温及烧蚀的理论分析、数值仿真模型，采用半解析方法及有限元方法对局部受热作用下板的位移和热应力进行分析，研究了几何及材料参数对结构响应的影响。以强激光作为局部升温热源，测试并模拟强热源作用下薄壁复合材料结构的响应。构造面单元加载热流，考虑局部烧蚀喷射阻挡激光辐照，解释了材料的实际烧蚀热远大于理想状态下模拟烧蚀热的原因，在烧蚀模拟模型中设置遮罩系数，使模拟结果与试验结果基本吻合，对准确分析强热作用薄壁结构具有重要参考意义。.(2) 几何缺陷及局部升温对薄板结构屈曲承载力的影响研究。以薄板的非线性屈曲理论为基础，计算薄板结构屈曲载荷，分析边界条件、开孔形状（圆形、正方形以及正三角形）、尺寸及角度等几何缺陷对薄板结构屈曲承载力的影响。分析了局部升温各因素对结构屈曲承载力的影响规律。为了准确分析模拟复合材料结构的高温力学性能，测试了耐热碳纤维/树脂 (MT300/PMR) 复合材料层合板的高温性能。研究热－力共同作用对复合材料结构承载能力的影响。设计了相应的试验方法和装置，测试了MT300/PMR的高温（拉、压、弯、剪、层剪）力学性能，为结构高温失效模拟提供了基础数据。对缺陷薄壁结构的屈曲失效进行了实验研究。设计制作了典型开孔的铝合金板试件及复合材料铺层板试件近百余件，试验对数值模拟与理论分析规律进行了验证。.(3)拓展研究范围到加筋薄壁结构屈曲优化、夹芯结构设计优化、功能梯度材料分析优化及各向异性介质波导不连续问题等。改进ESO优化方法，建立加筋薄板结构的离散变量优化模型并获得筋条布局规律，为结构优化的理论研究及工程应用作出贡献。针对点阵夹芯结构，构建承载力最大优化模型，丰富点阵夹芯结构单胞设计理论和方法。针对竹材这种功能梯度材料，通过实验测试、理论分析与数值模拟，获得了结构承载能力的优越性，为仿生结构设计提供依据。针对各向异性介质波导问题，谱单元法与精细积分法相结合，对含有各向异性介质波导问题导入哈密顿体系利用精细积分法进行求解。获得高准确度的