基于数值方法的层状复合结构强度分析与研究

论文摘要

层状复合结构由于其独特的性能优势,在能源以及其它行业的应用越来越广泛。准确预测和评价结构在受到机械载荷和热载荷下的变形和应力特性关系到整体结构运行的安全性和经济性,有利于对其结构优化设计提供参考依据。层状复合结构的结构特殊性,在强度分析中有希望将其复杂的三维问题有效地简化为二维问题来处理。尽管针对复合材料层合板的板壳理论已经将复合材料层合板这样的三维结构问题有效的简化为二维或者准二维的问题来处理,但由于这样的理论采取的诸多假设并不适用于所有层状结构,例如,类似于国际热核聚变试验反应堆(ITER)屏蔽包层第一壁这样的层状复合结构,在结构特性上和层合板存在较大差异,目前只能采用试验方法或者全三维的数值模拟来研究其在高热流载荷下的变形和应力特性。本文正是以非线性高阶中心理论为基础,希望通过新的有限元模型的建立来解决这一问题。针对蜂窝夹芯层状复合结构发展而来的非线性高阶中心理论,对蜂窝夹芯层状复合结构不同层的变形采用不同的高阶位移模式,考虑了中心夹层的可压缩性和变形的非线性,已经初步验证对于不同纵横比的蜂窝夹芯平板都有很好的适用性。在本文中,首先针对蜂窝夹芯复合结构,应用有限元分析方法对不同纵横比的蜂窝夹芯层状复合平板,在不同的载荷条件下进行三维弹性分析,验证了其在受力变形时的性能优势,得到了在静载和动载下的变形特性。然后基于非线性高阶中心理论,以蜂窝夹芯层状平板为研究对象,建立了一种新的有限元模型,有效地将蜂窝夹芯结构的三维问题简化为二维问题,并与之前的三维弹性解进行了比较,验证了模型的准确性。除此之外,在本文中还通过其它一些经典的数值算例来进一步验证非线性高阶中心有限元模型有效性。作为非线性高阶中心有限元模型拓展应用的初步尝试,对ITER屏蔽包层第一壁层状结构在设计热载荷和最大热载荷工况下结构的温度、应力和热应变进行了计算和分析,以期为将来非线性高阶理论的拓展应用提供验证依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 层状复合结构强度分析现状
• 1.3 非线性高阶中心理论
• 1.4 本学位论文主要内容
• 2 蜂窝夹芯层状复合结构三维弹性有限元分析
• 2.1 蜂窝夹芯层状复合结构
• 2.2 有限元的基本思想
• 2.3 蜂窝夹芯层状复合平板三维弹性有限元分析
• 3 基于高阶中心理论的蜂窝夹芯层状结构有限元分析
• 3.1 非线性高阶中心理论
• 3.2 非线性高阶中心有限元模型的建立
• 3.4 数值分析实例
• 3.5 结论
• 4 ITER 包层第一壁热应力三维弹性有限元分析
• 4.1 ITER 计划及包层第一壁简介
• 4.2 有限元热应力分析原理
• 4.3 ITER 包层第一壁热应力分析
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及参与的研究工作