具损伤功能梯度/纤维金属层合梁非线性静动力学性能研究

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本文以具损伤功能梯度/纤维金属层合梁为研究对象,综合考虑温度效应、脱接触效应、几何非线性和物理非线性等因素,系统地分析了脱层梁的热屈曲、弹塑性后屈曲、弹塑性脱层扩展、非线性动力响应,以及脱层疲劳扩展等问题。该研究工作具有重要的理论意义和工程应用价值。本文的主要研究内容如下。  研究了含轴向裂纹功能梯度梁的热屈曲问题。基于Timoshenko梁理论,利用最小势能原理,建立了在均匀升温热荷载作用下含轴向裂纹功能梯度梁的热屈曲控制方程,给出了相应的边界条件和裂纹尖端处的连续性条件,且运用微分求积法和解析法求解了整个问题,确定了临界热屈曲荷载。数值算例中,讨论了功能梯度指数、裂纹长度、裂纹深度和裂纹水平位置等因素对功能梯度梁的临界屈曲温度和屈曲模态的影响。  研究了定常温度场中具脱层纤维金属层合梁的弹塑性后屈曲和脱层扩展。首先,基于弹塑性理论,考虑静水压力对弹塑性变形的影响,应用正交各向异性屈服准则,建立了层合梁的正交各向异性增量型弹塑性本构关系。然后,基于Timoshenko梁理论,并考虑几何非线性、温度效应和几何初始缺陷,建立了具贯穿脱层纤维金属层合梁的增量型非线性平衡方程,采用微分求积法、Nermark法和迭代法进行求解,且应用与积分路径无关的 J积分理论,确定了脱层尖端处的能量释放率。数值算例中,讨论了脱层长度、脱层深度、温度和几何参数对具脱层芳纶纤维铝合金层合梁的弹塑性后屈曲及脱层扩展的影响。  研究了非定常温度场中具脱层纤维金属层合梁的非线性动力响应。基于Timoshenko梁理论,考虑结构的几何非线性、横向剪切变形、温度效应和脱层间的接触效应,建立了非定常温度场中具贯穿脱层纤维金属层合梁的非线性动力学模型,且采用微分求积法、Nermark法和迭代法对其非线性动力响应问题进行求解。数值算例中,讨论了脱层长度、脱层深度、温度、横向剪切变形等因素对具脱层纤维金属层合梁的非线性动力响应的影响。  研究了定常温度中移动荷载作用下具脱层纤维金属层合梁的非线性动力响应。首先,基于Timoshenko梁理论,在位移场中引入 Heaviside单位阶跃函数,建立了一种适应于脱层梁的位移场,然后,考虑几何非线性和脱层间的非线性接触效应,采用Hamilton变分原理,建立了热环境中移动荷载作用下具脱层纤维金属层合梁的非线性动力控制方程,并采用伽辽金法、Nermark法和迭代法进行求解。数值算例中,分析了接触效应、移动荷载速度、脱层长度、脱层深度和温度对具脱层纤维金属层合梁非线性动力响应的影响。  研究了具脱层纤维金属层合梁的热疲劳扩展问题。首先,考虑横向剪切变形和几何非线性因素的影响,采用Hamilton变分原理,建立了热荷载作用下具脱层纤维金属层合梁的非线性动力控制方程,并采用微分求积法、Nermark法和迭代法进行了求解。然后,根据断裂力学和与积分路径无关的 J积分理论,得到了脱层前缘处的能量释放率,再根据Paris疲劳断裂准则和 Arrhenius关系,建立了包含温度效应的脱层扩展率与能量释放率之间的关系式,最后,基于这个关系和循环跳跃法,求得了脱层的扩展长度。数值算例中,讨论了温度、脱层长度和脱层深度等因素对能量释放率和脱层扩展长度的影响。
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