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原文传递薄壁结构的力学行为分析及其工程应用

论文题名：	薄壁结构的力学行为分析及其工程应用
关键词：	薄壁结构;三维编织复合材料板;圆柱曲板;高速动车组;车体侧墙;承载性能
摘要：	为了减轻自重以提高结构性能,常采用板、壳、加筋板壳和组合板壳等轻结构形式。这种结构中突出的问题是保证结构的使用性能和承载能力,因此研究板壳结构在各种情况下的强度、刚度、屈曲、非线性振动和动力响应,弄清各种影响因素对薄壁结构力学行为的影响是一个长期的、充满挑战性的任务。　　本文以各向同性和各向异性板壳为代表的薄壁结构为研究对象,通过理论分析和数值计算将揭示三维编织复合材料矩形板和中等厚度各向异性层合圆柱曲板等薄壁结构在几种典型载荷作用下的后屈曲行为、非线性振动特性的内在机理和强度、刚度力学特性,采用有限元方法在高速动车组车体大部件力学性能分析应用,为装备制造和其他现代工程领域中的薄壁结构设计提供理论依据。　　主要研究工作包括:针对三维编织复合材料的结构特点,通过对四步法1×1编织工艺过程中编织纱线的运动轨迹特征空间几何分析,结合预成型件的纱线构造,并推导出了编织结构参数之间的关系。在预成型件分析的基础上,导出三维编织复合材料的局部单胞模型,分析复合材料的纱线构造,研究复合材料的编织结构参数之间的关系。从而,建立三维编织预成型件单胞弹性性能关系。采用三维应力-应变分析,在单胞的长度方向积分和平均,在给定的应变边界条件下,采用刚度体积平均的方法计算了单胞的有效弹性性能,预测三维编织结构复合材料的有效弹性模量。在此基础上提出一种三维四向编织复合材料矩形板的宏-细观力学模型。　　基于高阶剪切理论,给出了三维编织复合材料矩形板在热环境下和在不同载荷作用下的非线性振动和弯曲大挠度渐近解。分析中同时考虑横向剪切变形的影响和材料物性参数对温度变化的依赖性。　　将壳体屈曲的边界层理论推广运用到纤维增强各向异性层合剪切圆柱曲板。分析中同时考虑前屈曲非线性变形,后屈曲大挠度和初始几何缺陷的影响以及横向剪切变形和耦合刚度的影响,采用奇异摄动方法给出完全各向异性层合圆柱曲板在轴压载荷作用下的既满足控制方程又在渐近意义上严格满足边界条件的后屈曲大挠度渐近解。通过对屈曲与后屈曲等一系列问题的求解和分析揭示中等厚度各向异性层合圆柱曲板结构在轴压载荷作用下的后屈曲行为的规律,为复合材料结构的设计提供科学依据。基于理论分析,用Fortran语言编制了相应的数值分析程序包,在上述研究领域内给出了大量的计算分析结果。　　采用理论分析和数值结果相结合的方法,在掌握了固有应变的变化规律的基础上,通过简化焊接结构,用弹性板单元有限元法,对大型铝合金车体侧墙的部分结构的焊接变形进行了预测,分析大型铝合金车体部分结构的焊接变形的规律,为控制车体部分结构的焊接变形提供了理论根据,根据预测结果进行工艺的改进,尽量减小焊接结构的残余应力和变形,从而延长焊接结构的使用寿命,提高焊接结构的强度。同时,得到了高速动车组车体侧墙结构在制造过程中焊接、装卡等因素对其强度、刚度和屈曲等力学特性的影响规律,为薄壁加筋结构提高承载能力和控制焊接装配尺寸偏差提供技术手段。　　本文研究成果有助于推动金属和复合材料结构的力学特性的研究,对此两类材料结构在高速铁路等行业中的应用具有积极意义。　　本文得到国家自然科学基金(50909059)、中国博士后科学基金(20080440623)和中国博士后科学基金特别资助(200902232)的部分支持。
作者：	李志敏
专业：	机械工程
导师：	林忠钦
授予学位：	博士后
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文