反對稱雙穩(wěn)態(tài)復合材料結(jié)構(gòu)的實驗與數(shù)值模擬研究.pdf

1、具有兩種不同穩(wěn)定狀態(tài)特性的復合材料結(jié)構(gòu)稱為雙穩(wěn)態(tài)復合材料結(jié)構(gòu)(BistableCompositeStructure)，如非對稱正交鋪設(shè)層合板、反對稱鋪設(shè)層合圓柱殼結(jié)構(gòu)等。作為一種新型的先進復合材料結(jié)構(gòu)，雙穩(wěn)態(tài)復合材料結(jié)構(gòu)因其質(zhì)量輕、力學性能優(yōu)異及空間利用率高等優(yōu)點引起了國內(nèi)外諸多研究者的關(guān)注。
　　 目前，對于反對稱層合圓柱殼穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變力學行為的實驗研究比較缺乏，而且現(xiàn)有理論模型得到的雙穩(wěn)態(tài)解與有限元模擬結(jié)果存在較大誤差，這些都限

2、制了其在實際應(yīng)用中的發(fā)展。此外，對于反對稱復合材料結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)性能的研究也主要集中在規(guī)則反對稱鋪層方式，而該類結(jié)構(gòu)的第二穩(wěn)態(tài)卷曲半徑對鋪設(shè)角的變化較為敏感，即在一定范圍內(nèi)鋪設(shè)角的略微改變便會引起第二穩(wěn)態(tài)卷曲半徑的明顯變化，不利于反對稱雙穩(wěn)態(tài)復合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計。針對這些問題，本文的主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　 1.基于經(jīng)典層合板理論和最小勢能原理建立了反對稱層合圓柱殼結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)理論模型，發(fā)展了現(xiàn)有的以Iqbal為代表的理論模型。

3、同時，對實驗所制備的反對稱層合圓柱殼試件進行了算例分析，得到各個試件的第二穩(wěn)態(tài)卷曲半徑理論解。
　　 2.首次提出兩點加載法，設(shè)計和制備了相應(yīng)的實驗加載壓頭和夾具，結(jié)合現(xiàn)有的拉伸試驗機搭建了針對于反對稱層合圓柱殼的實驗測試平臺。所搭建的實驗平臺能夠驅(qū)動反對稱層合圓柱殼試件發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，對試件的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過程進行捕捉和測量。實驗給出了不同試件在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的載荷—位移變化曲線及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷，第二穩(wěn)態(tài)卷曲半徑的實驗結(jié)果與理論解吻合較

4、好。
　　 3.根據(jù)兩點加載法和實驗環(huán)境，在ABAQUS中建立了反對稱層合圓柱殼的有限元分析模型，模擬給出了殼結(jié)構(gòu)尺寸、鋪層數(shù)及鋪設(shè)角等幾何參數(shù)對反對稱層合圓柱殼雙穩(wěn)態(tài)性能的影響規(guī)律，與理論預(yù)測結(jié)果吻合較好。第二穩(wěn)態(tài)卷曲半徑的有限元解與實驗結(jié)果存在一定的誤差，對可能導致誤差的原因進行了討論。
　　 4.通過引入不同的鋪設(shè)角，提出了一種非規(guī)則反對稱層合圓柱殼結(jié)構(gòu)。理論和有限元分析結(jié)果均表明，鋪設(shè)角及鋪層順序的改變都會導致這