双轴压缩荷载作用下竖向及旋转弹性边界约束复合材料板的屈曲研究

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短跨度纤维增强树脂(FRP)复合材料薄壁结构通常是一类由平板组装而成的轻型结构。它们具有比强度、比模量高,可设计性强,价格低廉,易于成型等优点,因而在土木民用设施、航空航天领域等得到了广泛的运用。然而,由于其相对较低的刚度及薄壁几何结构特征,当这类薄壁结构承受各种荷载时,在材料达到极限强度破坏之前,结构易因大变形而发生局部失稳(局部屈曲)。在短跨度FRP复合材料薄壁结构的局部稳定性分析设计中,离散板分析由于高效、便捷、能将复杂的三维空间稳定性问题简化为较为简单的二维平面稳定性问题等优点,从而得到了广泛的运用。本文运用瑞利—利兹法和商业有限元软件ANSYS,对这类短跨度FRP复合材料薄壁结构离散出来的腹板单元进行了局部屈曲研究。具体工作内容包括以下四个方面:(1)获取了临界局部屈曲荷载的近似解析解以及部分显式设计公式。本文以短跨度FRP复合材料薄壁结构离散出的板单元为研究对象,具体以双轴压缩荷载作用下,一对边边缘受到旋转弹性约束、另一对边受到竖向及旋转弹性边界约束的正交各向异性复合材料矩形板为数学研究模型,通过瑞利-利兹法,获取了临界局部屈曲荷载的近似解析解以及常用于工程前期预设计稳定性分析的显式公式;(2)进行了精度验证、误差分析、精度改良方案建议等相关工作。运用商业有限元软件ANSYS以及文献中可供参考的数据,对获取的近似解析解和显式公式进行了精度验证。结果显示对于其中的RRRR边界约束情形,吻合良好,最大误差为4.81%;但对于其中的RRVV边界约束情形,最大误差达到26.37%。针对这一情况,后续进行了相关的误差分析,并对其中的RRVV边界约束情形提供了精度改良方案建议;(3)开展了相关的参数研究。研究了荷载比()、竖向弹性约束刚度(KV)、旋转弹性约束刚度(KR)以及长宽比()对局部屈曲行为的影响;(4)进行了尝试性的局部屈曲试验研究。运用Southwell方法,对单轴压缩下SSFF和SSSS边界约束情形下的正交各向异性复合材料矩形板进行了局部屈曲试验研究。这些结果或结论可用于判别双轴压缩荷载作用下竖向及旋转弹性边界约束正交各向异性复合材料矩形板的局部屈曲承载能力,进而给工程人员在短跨度FRP复合材料薄壁结构前期预设计稳定性分析中提供有力的帮助。
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