多场耦合作用下双层复合壳的损伤模型与可靠性研究

论文摘要

双层复合壳是指内外层接触介面连接达到冶金结合程度的复合壳体,内外层材料可根据工艺需求和接触介质特性而选定,其材料结构与复合层合板一样,同属于复合材料的范畴。双层复合壳具有许多单层壳无法比拟的优点,在航空、核电和石化等领域具有广泛的应用。由于这些行业工艺、原材料及产品的特殊性,双层复合壳结构一旦发生损伤失效,极有可能造成重大伤亡事故,故对此类结构的损伤模型以及可靠性设计和评估方法进行研究显得十分必要。双层复合壳被广泛地应用在高温和腐蚀环境中,其损伤因素较为复杂,包括流-固耦合和热弹性振动等因素,致使对于该类型壳体的可靠性设计和评估尤其困难。通过文献资料检索,迄今国内外针对高温构件的结构完整性研究较多,而对于多场耦合作用下高温构件的可靠性研究则很少,针对多场耦合作用下双层复合壳高温构件的可靠性研究则更少。本文以多场耦合作用下双层复合壳的损伤模型与可靠性研究为选题,主要开展以下方面的研究:（1）双层复合壳的损伤模型研究通过分析壳体的复合形式和选材原则,明确研究对象性能特点;基于双层复合壳损伤表现形式及内部应力分析,建立双层复合壳热应力损伤模型及温度动态响应函数;推导多场耦合作用下双层复合壳的随机振动疲劳损伤模型。（2）双层复合壳材质损伤特征参量试验研究复杂耦合环境下,双层复合壳的损伤具有明显的局部特征,通过微观的金相、X射线以及宏观的强度、韧度等试验,进行宏观力学性能退化分析和细微观损伤与断裂特性分析,研究壳体材质损伤特征,推断壳体材质损伤的主要原因;选取双层复合壳结构,从壳体不同部位取样进行测试,试验数据作为可靠性分析模型的随机参量,分析壳体的可靠性。（3）热-流-固耦合作用下双层复合壳的动态响应理论研究建立多场耦合作用下复合圆柱壳的动态响应数学模型,模型中的多场耦合偏微分方程包含热载荷和流体冲击载荷,通过求取包含拉普拉斯双算子的多场耦合偏微方程的解,获得壳体动态响应特性随着流体速度、壳体半径和长度以及弹性模量等参量变化的规律及挠度函数。（4）热-流-固耦合作用下双层复合壳的动态响应有限元分析针对典型多场耦合作用下的双层复合壳结构,建立不对称双层复合壳的有限元模型,对双层复合壳在多场耦合作用下的动态响应进行模态、谐响应和多场耦合振动分析,深入研究材料和结构参数改变对结构响应的影响,以及双层复合壳具有的动态响应特性。（5）双层复合壳的可靠性评估方法建立统计三维实体单元节点Von Mises应力的可靠性计算方法,利用ANSYS和MATLAB进行二次开发,实现三维建模、多种载荷作用下的随机有限元求解以及单元节点Von Mises应力的数值统计,应用于实际工程中旋风分离器的动态可靠性评估;在Rice J积分理论的基础上,给出求解双层高温构件JC积分方法,并应用有限元数值算例和工程实例说明JC积分方法的实施效果。JC积分可以作为评估含缺陷双层高温构件可靠性的断裂参量,为传统应力-强度干涉模型提供有益扩充。（6）双层复合壳的可靠性灵敏度分析可靠性灵敏度反映了基本变量分布参数对失效概率的重要性排序,它是结构稳健可靠性优化设计的必要步骤。针对工程应用中存在的随机变量为非正态分布,同时存在相关性的情况,研究相关非正态模型参量可靠性灵敏度分析方法,包括基于正交变换法（OT）、乔列斯基因子分解法（CF）和JC法三种可靠性灵敏度分析方法,分析它们各自的应用优势;应用Visual Basic与MATLAB混合编程技术,编写可靠性灵敏度分析软件系统,并通过数值算例验证所提方法的精度以及可应用计算机解决相关非正态模型参量问题,可作为可靠性灵敏度分析方法的有益扩充。上述研究工作能够为双层复合壳构件的可靠性设计和评估提供理论基础,为保障安全生产和设备维护提供科学依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 损伤力学研究进展
• 1.2.2 多场耦合问题研究进展
• 1.2.3 结构可靠性研究进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 双层复合壳的损伤模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 双层复合壳的结构与材料
• 2.2.1 复合形式
• 2.2.2 选材原则
• 2.3 热应力损伤
• 2.3.1 双层复合壳蠕变损伤模型
• 2.3.2 双层复合壳的温度响应
• 2.4 随机振动疲劳损伤
• 2.4.1 超越和极值的概率分析
• 2.4.2 挠曲Von Mises应力
• 2.4.3 Von Mises应力过程的峰值概率密度函数
• 2.4.4 损伤率估算
• 2.5 本章小结
• 第三章 双层复合壳材质损伤特征参量试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料和部位选取
• 3.3 宏观力学性能退化分析
• 3.3.1 强度试验
• 3.3.2 断裂韧度试验
• 3.3.3 硬度试验
• 3.4 细微观损伤与断裂特性分析
• 3.4.1 断口扫描试验
• 3.4.2 金相试验
• 3.4.3 X 射线衍射试验
• 3.4.4 成份分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 热-流-固耦合作用下双层复合壳的动态响应理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 热-流-固耦合振动数学模型
• 4.3 热-流-固耦合振动方程求解
• 4.4 算例
• 4.5 本章小结
• 第五章 热-流-固耦合作用下双层复合壳的动态响应有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 模态分析
• 5.2.1 模态分析基本理论
• 5.2.2 旋风分离器模态分析
• 5.3 谐响应分析
• 5.3.1 谐响应分析基本理论
• 5.3.2 旋风分离器谐响应分析
• 5.4 随机振动分析
• 5.4.1 随机振动基本理论
• 5.4.2 多场耦合作用下旋风分离器随机振动分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 双层复合壳的可靠性分析
• 6.1 引言
• 6.2 基于3D随机有限元的可靠性分析
• 6.2.1 Von Mises应力统计分析方法
• 6.2.2 基于3D有限元的旋风分离器可靠性分析
• 6.3 基于JC断裂参量的可靠性分析
• 6.3.1 经典J 积分的物理意义
• 6.3.2 双层复合壳JC积分
• 6.3.3 基于JC积分的旋风分离器可靠性分析
• 6.4 提高可靠性的技术对策
• 6.4.1 控制热应力
• 6.4.2 防止振动
• 6.4.3 检测裂纹
• 6.4.4 加固或改进结构
• 6.5 本章小结
• 第七章 双层复合壳的可靠性灵敏度分析
• 7.1 引言
• 7.2 可靠性灵敏度分析方法
• 7.2.1 基于JC 法的可靠性灵敏度分析
• 7.2.2 基于数值模拟法的可靠性灵敏度分析
• 7.2.3 算例
• 7.3 可靠性灵敏度分析系统
• 7.3.1 可靠性数值模拟方法
• 7.3.2 可靠度灵敏度分析系统设计
• 7.3.3 工程算例
• 7.4 本章小结
• 结论与展望
• 主要研究结论
• 论文创新点
• 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件