湿热环境下复合材料层合板的屈曲和后屈曲力学行为

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复合材料层合板由于具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好、热稳定性能好等优点,已广泛应用于航空航天、船舶工业等领域。此类结构在压缩、剪切载荷作用下,最常见的失效模式为丧失稳定性,为了控制结构失效,需要对层合板的屈曲和后屈曲特性进行力学分析。  本文基于复合材料板壳结构的一阶剪切变形理论,建立层合板的屈曲和后屈曲控制方程,采用伽辽金方法,研究了湿热环境下复合材料层合板的屈曲临界载荷以及后屈曲平衡路径。研究的主要内容如下:  根据一阶剪切变形理论和von-Karman几何非线性方程,从弹性力学的平衡方程和本构关系出发,引入温度和湿度项,建立了包括湿热效应的以中面位移为基本未知量的复合材料层合板的一般屈曲控制方程。  假设材料的物理参数不随湿热环境而变化,以在面内载荷作用下的正交对称层合板和反对称角铺设层合板为算例,采用基于虚位移原理的位移变分近似解法——伽辽金解法,根据相应的边界约束条件求解非线性微分控制方程,得到屈曲临界载荷和后屈曲平衡路径。还进一步探讨了湿热环境、初始挠度、几何参数、材料的弹性参数、铺设方式等因素对简支矩形板的屈曲和后屈曲特性的影响。结果表明:  湿热环境对层合板屈曲和后屈曲的影响是极为不利的,温度为主要影响因素;在一定条件下,屈曲和后屈曲承载力随着长宽比、铺层数的增加而增大,随着长厚比的增加而减小;对反对称层合板,临界载荷随着铺设角的变化而变化,θ=45°时,临界载荷值达到最大;不同材料的后屈曲路径是有差异的,材料刚度越大,后屈曲承载力越强。
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