先进复合材料筋网壳结构建模及其力学性能分析

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1、工学博士学位论文先进复合材料筋网壳结构建模及其力学性能分析张福生哈尔滨理工大学2018年6月国内图书分类号：TB332工学博士学位论文先进复合材料筋网壳结构建模及其力学性能分析博士研究生：张福生导师：许家忠申请学位级别：工学博士学科、专业：机械设计及理论所在单位：机械动力工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TB332DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTheModelingandMechanicalAnalysisofRi

2、bbedGridShellStructurewithAdvancedCompositeCandidate：ZhangFushengSupervisor：XuJiazhongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringMechanicalDesignandSpecialty：TheoryDateofOralExamination：June2018HarbinUniversityofScienceandUniversity：Technology哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明

3、：此处所提交的博士学位论文《先进复合材料筋网壳结构建模及其力学性能分析》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书《先进复合材料筋网壳结构建模及其力学性能分析》系本人在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论

4、文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的部分内容。本学位论文属于保密，在年解密后适用授权书。不保密。（请在以上相应方框内打√）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日先进复合材料筋网壳结构建模及其力学性能分析摘要先进复合材料筋网壳结构（RGS）是一种整体承载均衡、鲁棒性好的新型复合材料栅格类薄壳结构，该结构不仅具有传统复合材料格栅结

5、构（AGS）板、梁和柱等结构比刚度高、比强度大以及结构可设计性强等优点，还进一步将简单周期性均匀等距栅格梁、板结构发展到空间非周期非均匀栅格结构，在航空航天、舰船和军事工程等苛刻服役环境中逐渐获得应用。但RGS结构的设计及力学性能分析面临空间结构形态表征的高阶多维、结构的非线性屈曲以及服役环境下构件结构稳定性分析困难等问题。针对上述问题，本文提出基于空间高斯-测地线的RGS形态表征模型和力学分析方法，建立黎曼空间映射的低阶三维RGS几何模型及有限元分析模型，以典型空间非周期非均匀栅格结构天线罩为应用实例，验证上述模型及分析方法的有

6、效性，并探索和分析其在实际服役环境下的力学性能。针对RGS结构形态表征的高阶多维问题，采用空间测地微分映射法建立构件形态表征模型。基于黎曼空间结构的曲率性质，运用高斯微分基本型和测地线路径最短原理，将空间曲面结构的几何形态等距映射到空间单位球面，在该单位球面建立经纬向筋肋的二维测地微分RGS结构数学模型，实现构件结构表征的降维；通过测地微分方程的高斯（Gauss）第I和第II基本型构形，建立测地微分RGS结构栅格筋肋的弧长和弧角微分方程，实现构件结构表征的降阶。以舰载球冠形天线罩结构为例，建立天线罩的测地线RGS结构模型，以单位矢

7、径投影的两个矢角和带宽实现复合材料球冠形天线罩RGS结构的低阶低维建模表征，研究胞元栅格经纬向筋肋的间距及带宽等参变量对RGS结构形态的影响规律，为后续RGS结构的力学性能研究奠定基础。针对RGS结构胞元节点受力后其筋肋各向力学响应的非线性屈曲问题，以单胞元节点为矢量模元并将其叠加，结合已建立的测地线RGS结构形态表征模型建立RGS结构有限元力学分析模型，研究给定载荷下该RGS结构的力学响应规律。通过力学分析和仿真实验，在垂直载荷作用下，对比分析胞元筋肋各编带在不同厚度、不同编织角度和不同宽度下各同形异构天线罩模型从极点沿各筋肋编

8、带向四周传递的非线性变形响应规律，并研究等载荷-I-下不同的编织结构对天线罩RGS结构的载荷-位移响应特性，分析载荷作用下构件编织结构形式对结构稳定性的影响规律。采用预浸碳纤增强复合材料带（CFRP）基于手工铺放和真空热压工艺制备舰载天线罩RGS结