功能梯度材料圆柱壳的冲击屈曲

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圆柱壳由于高强度、受力均匀、易加工、易装配,并拥有优异的气动特性等特点。因此,在航空航天、船舶、海洋工程,大型车辆装备等领域均有广泛应用。圆柱壳在工程应用中经常受热、力冲击载荷作用(如:火箭尾部加热,气动加热等)。在冲击的过程中,物体内部产生冲击应力,导致快速变形、甚至失稳。对这些力学行为进行分析具有重要的理论与实际应用价值。本论文研究功能梯度复合材料(Functionally graded materials,FGM)圆柱壳在冲击载荷下的动态稳定特性,主要内容如下:  1.基于经典壳理论,运用辛方法研究了两端固定功能梯度薄圆柱壳在热冲击载荷作用下的轴对称屈曲问题。假设FGM的物理性能参数沿厚度方向按照幂函数形式连续变化,壳体的内表面受均匀热冲击载荷作用。首先采用Laplace变换求解热传导方程,得到壳体内部的动态温度场及热轴力和热弯矩的表达式。然后考虑Hamilton正则方程,采用辛方法求解辛本征值和本征向量,求解可获得屈曲模态,进而得到屈曲载荷。当FGM圆柱壳退化为均质圆柱壳时,将所得临界屈曲载荷与已有均质圆柱壳的载荷相比较,证明了本文数值求解与理论推导的正确性。最后详细分析和讨论了FGM圆柱壳分别在纯陶瓷和纯金属内部施加热冲击载荷时,材料的体积分数指数对临界升温的影响,验证了材料性能的梯度变化对热冲击应力的缓解作用。  2.基于经典壳理论,运用辛方法研究了两端固定功能梯度材料薄圆柱壳在热冲击载荷作用下的非轴对称屈曲问题。和轴对称屈曲不同。非轴对称问题还需要考虑环向的位移和环向屈曲模态。首先采用Laplace变换方法求解了一维热传导方程,然后引入辛方法,求解FGM圆柱壳的临界载荷和屈曲模态。最后分析讨论了热冲击载荷与圆柱壳结构的几何尺寸对非轴对称屈曲临界升温的影响。研究发现热冲击载荷参数、材料的梯度参数、壳体的形状参数等对圆柱壳临界温度的影响与轴对称相似。  3.基于经典壳理论,并考虑应力波对圆柱壳屈曲的影响,运用辛方法研究了一端固定功能梯度材料薄圆柱壳在扭转冲击载荷作用下的屈曲特性。考虑FGM圆柱壳径向、环向和轴向位移,构造出原变量和对偶变量,建立起该系统的Hamilton体系。然后引入辛方法,归结为求解系统的本征值和本征向量,获得FGM圆柱壳的临界载荷和屈曲模态,并分析讨论了不同环向和径向阶数和圆柱壳结构的几何尺寸及物性参数对屈曲临界载荷的影响。  本文的成果对结构冲击力学特性的研究有积极意义,对于功能梯度复合材料结构的工程实际应用与优化设计具有一定的理论指导价值。
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