復(fù)合材料層合殼體熱彈耦合簡化模型

鐘軼峰，陳 磊，余文斌，張亮亮

（1．重慶大學a．土木工程學院；b．山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400045；2．美國猶他州立大學 機械與航空航天工程系，洛根84322）

近20年來，先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)因其高強度、高模量、可設(shè)計性等優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于航天航空、機械、土木等領(lǐng)域。由于復(fù)合材料不同成分、不同纖維方向的熱膨脹系數(shù)相差很大，相比于各向同性材料對溫度的改變更加敏感，復(fù)合材料板／殼結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)已成為近年來復(fù)合材料力學熱點課題之一［1－2］，出現(xiàn)了各種復(fù)合材料板／殼理論。Ng等［3］應(yīng)用古典層合理論（CLT）分析了復(fù)合材料圓柱殼的熱殘余應(yīng)力和自由振動，由于忽略了橫向剪切效應(yīng)，該理論僅對薄殼有效；為克服CLT的缺陷，Pradyumna等［4］基于一階剪切變形理論（FOSDT）分析了復(fù)合材料層合殼體在熱環(huán)境下非線性動態(tài)穩(wěn)定性，但模擬彎曲時數(shù)值計算結(jié)果嚴重失真，產(chǎn)生“橫剪自鎖”現(xiàn)象，其原因在于總應(yīng)變能中包含橫向剪切應(yīng)變能的項在量級上不正確，沿厚度方向變化的剪切應(yīng)變線性假設(shè)與上下表面剪應(yīng)力為零自相矛盾，需人為地引入與幾何形狀和材料相關(guān)的剪切修正因子來解決這一矛盾；為提高沿厚向的應(yīng)力／應(yīng)變預(yù)測精度，各國學者紛紛把研究重點轉(zhuǎn)向了高階剪切變形理論，Li等［5］用高階殼理論分析了復(fù)合材料圓柱殼在熱環(huán)境下的非線性屈曲和后屈曲性能，Nosier等［6］基于層合理論確定濕熱環(huán)境下正交鋪層／角鋪層殼體的局部位移函數(shù)和層間應(yīng)力，但仍無法準確預(yù)測面內(nèi)的不連續(xù)性和沿厚度方向的橫向位移分量。

由上述分析可知，現(xiàn)有板殼熱彈性分析理論大多基于位移場假設(shè)，無法較好地反映層合板殼的三維效應(yīng)和鋪層之間的相互作用。筆者嘗試采用變分漸近法［7－8］分析層合圓柱殼的單向耦合熱彈性問題。通過對降維模型近似能量中變分項的漸近修正，得到與原三維能量盡可能接近的近似能量，從而構(gòu)建一種無需先驗性假設(shè)且便于工程應(yīng)用的簡化殼體模型，為復(fù)合材料層合殼體在工程中的實際應(yīng)用提供有價值的參考。

1 復(fù)合材料層合殼體三維能量表達式

基于Hamilton擴展原理，三維結(jié)構(gòu)的彈性動力性能可表述為

式中：t1和t2是任意兩固定時間；K和U分別是動能和Helmholtz自由能；δˉW是外力所做虛功，上劃線表明不需要對該項精確變分。

圖1 層合殼體幾何構(gòu)型及坐標系

由于僅考慮單向耦合熱彈性問題，因殼體變形引起的溫度改變忽略不計，得到無二次項的Helmholtz自由能泛函［9］：

式中：D為6×6階三維材料矩陣；α為6×1階三維熱膨脹系數(shù)列陣；T為相對于零應(yīng)力狀態(tài)的溫差；為殼體幾何修正系數(shù)，其中kαβ為殼體面外曲率，因選用坐標系為圖1所示曲率線，k12＝k21＝0。

Γ為三維應(yīng)變場［10］，可定義為

式中：為相應(yīng)的算子；

其中：εαβ，καβ統(tǒng)稱二維廣義應(yīng)變，其階數(shù)分別用n，n／h表示；w i為未知翹曲函數(shù)，若將參考面定義為殼體中面，則w i須滿足如下3個約束

殼體參考面上質(zhì)點的動能和外力所做虛功可分別表示為

式中：μ為質(zhì)量密度；U i為沿坐標軸x i的位移，其上的點表示對時間求導(dǎo)；＝－δU3；α為虛擬旋轉(zhuǎn)；廣義力f i和力矩mα可定義為

式中：p i，τi，βi分別為體力、殼體頂／底面表面力。

由式（1）、（6）和式（7），殼體參考面的動力性能可改寫為

由于式（9）中存在未知翹曲函數(shù)w i，若直接求解該式，將會遇到與求解原三維問題同樣的困難。常規(guī)做法是對翹曲場作先驗性假設(shè)，由于復(fù)合材料的各向異性和非均質(zhì)性，這種假設(shè)可能會產(chǎn)生較大的誤差。變分漸近法可利用殼體固有的小參數(shù)對式（9）的變分項進行漸近分析得到w i，從而構(gòu)建與原三維模型盡可能接近的二維殼體模型。

2 降維方法及近似能量推導(dǎo)

對殼體結(jié)構(gòu)，可選擇h／l?1，h／R?1作為變分漸近計算所需的小參數(shù)，由此可估計各荷載階數(shù)為

式中μ為彈性材料常量的階數(shù)。

利用h／l，h／R可將三維能量漸近擴展為如下形式的系列二維近似能量泛函

為能處理體多層殼結(jié)構(gòu)，并與二維有限元求解器相銜接，可將三維翹曲場離散為一維有限單元形式，

式中：S為形函數(shù)；V為沿橫法線方向的翹曲場節(jié)點值。

將式（11）代入式（9），得到離散形式能量泛函為

式中：L為荷載相關(guān)項；新引入的與幾何形狀和材料屬性有關(guān)的變量為

式（5）翹曲約束的離散形式可表示為

式中：H＝ ［STS］；ψ為零初始曲率E0的正交化核心矩陣，ψTHψ＝I。這樣，未知翹曲函數(shù)的求解問題轉(zhuǎn)化為式（14）約束下式（12）最小化問題。

2．1 零階近似

應(yīng)用變分漸近法，需根據(jù)不同階數(shù)找到泛函的主導(dǎo)項。式（12）中與未知翹曲函數(shù)有關(guān)的零階近似主導(dǎo)項為

式中：E0，D hε0，Dεε0，αh0，αε0分別由式（14）中φ＝1（無幾何修正）定義的相關(guān)矩陣。

相應(yīng)的零階翹曲函數(shù)為

將式（16）代入式（15）得到漸近修正到O（1）階的能量泛函為

這與如下形式的熱彈性古典層合模型相一致，

式中：A，NT分別為二維剛度矩陣和溫度產(chǎn)生的應(yīng)力合力，其計算式為

2．2 一階近似

零階近似可用于分析薄殼的全局性能和面內(nèi)分量，更高階近似可用來分析對中厚殼失效十分重要的面外應(yīng)力和應(yīng)變（σi3，Γi3），從而構(gòu)建更精確殼體模型。

首先，將能量泛函漸近修正到O（h／R）階以考慮初始曲率效應(yīng)，O（h／R）階翹曲因?qū)δ芰繜o貢獻，可不必計算。得到

式中：

其中帶星矩陣由φ－1代替式（14）的φ定義。

其次，將能量漸近修正到O（h2／l2）以考慮橫向剪切變形。為此，將零階翹曲函數(shù)攝動為

將式（23）代回式（17），可得到一階近似的總能量泛函主導(dǎo)項為

式中：

相應(yīng)的一階翹曲可求解為

最后得到漸近修正到O（h2／l2），O（h／R）的總能量泛函為

式中：

2．3 近似能量轉(zhuǎn)換及三維場重構(gòu)

盡管式（27）能量泛函漸近修正到O（h2／l2），O（h／R）階，但因含有廣義應(yīng)變的導(dǎo)數(shù)ε；α，難以直接應(yīng)用。為得到實用的能量范函，可將式（27）轉(zhuǎn)換為工程中常用的Reissner－Mindlin模型形式。

在Reissner－Mindlin模型中有兩個附加橫向剪切應(yīng)變Reissner－Mindlin模型應(yīng)變量R與ε的關(guān)系可表示為

式中：

將式 （29）代 入 式 （27），可得到 由 Reissner－Mindlin應(yīng)變量表示的能量泛函為

而實際應(yīng)用的廣義Reissner－Mindlin模型形式為

為得到與式（32）等效的 Reissner－Mindlin模型，可通過以下2個彎矩平衡方程消除所有二維應(yīng)變量的偏導(dǎo)數(shù)

由式（33），可將式（31）改寫為

式中：

若對任何R，U＊都趨于零，則可得到漸近修正Reissner－Mindlin殼體模型。對于一般各向異性殼體，該項往往并不為零，可通過最小二乘法等優(yōu)化技術(shù)最小化U＊，等效Reissner－Mindlin模型的精確性取決于U＊趨近于零的程度。

由于降維模型的可靠性最終取決于其對三維場預(yù)測的精確度，因此還需提供重構(gòu)關(guān)系以完善降維模型。由式（3），重構(gòu)的三維應(yīng)變場可表示為

三維應(yīng)力場可使用材料本構(gòu)關(guān)系得到，

3 算例

柱形彎曲問題已作為評估新提出的3D／2D分析模型精確性的基準。本章將所述理論和方法編制成變分漸近板／殼分析程序VAPAS，對圖2所示4層簡支復(fù)合材料層合殼體在熱／載荷下的柱形彎曲問題進行分析。

圖2 層合殼體結(jié)構(gòu)示意圖

3．1 模型參數(shù)

殼體 各 層 傾 角 為 ［90°／0°／90°／0°］；殼 厚h＝1 mm，半徑R＝10 cm，夾角φ＝π／3；采用的坐標系為x1∈ ［0，φ］，x2∈ ［0，∞］，x3∈ ［－h(huán)／2，h／2］；材料為石墨／環(huán)氧復(fù)合材料，材料屬性為

殼體承受的溫度變化和正弦面荷載分別為

3．2 數(shù)值分析與討論

圖3（a）～（f）繪出了重構(gòu)的沿厚度方向應(yīng)力分布，并與一階剪切變形理論（FOSDT）、古典層合理論（CLT）和精確解［11－12］進行對比。應(yīng)變和位移的變化趨勢和精度與應(yīng)力相同，限于篇幅未在此繪出。由于應(yīng)力分量σαβ，σ33分別是正弦和余弦函數(shù)，應(yīng)力分布分別繪于x1＝π／6和x1＝π／3處。為方便比較，圖中縱橫坐標分別正則化為

由圖3可看出：VAPAS、FOSD和CLT都能較準確地預(yù)測面內(nèi)應(yīng)力分量σαβ分布，由于VAPAS能得到優(yōu)化剪切剛度矩陣G，其結(jié)果比FOSDT和CLT更精確；對于橫向應(yīng)力分量σα3，因特殊的鋪層設(shè)計（正交鋪設(shè)），CLT無法計算該值，而FOSDT因?qū)ξ灰茍鏊鱿闰炐约僭O(shè)，誤差較大，VAPAS與精確解相一致，且重構(gòu)的應(yīng)力分布在不同層分界面處連續(xù)，這與大多數(shù)位移基殼理論完全不同。

圖3 4層簡支復(fù)合材料圓柱殼體在熱／載荷下沿厚度方向的應(yīng)力分布

4 結(jié)論

1）基于變分漸近法構(gòu)建了復(fù)合材料圓柱殼熱彈性簡化Reissner－Mindlin模型和重構(gòu)關(guān)系，可考慮熱／載荷單向耦合效應(yīng)，并使用4次多項式表示沿厚度方向的任意溫度分布，相較于假設(shè)溫度沿厚度方向線性分布（單層板理論）或沿層線性分布（層合理論）更符合實際情況。

2）在推導(dǎo)降維模型過程中，使用變分漸近法求解未知翹曲函數(shù)，不需任何動力學假設(shè)和剪切修正因子，也不同于傳統(tǒng)的板／殼理論假設(shè)翹曲場的一般形式，用高階翹曲作參數(shù)來求解假設(shè)函數(shù)中的未知參數(shù)的方法。

3）通過算例驗證：重構(gòu)的沿厚度方向應(yīng)力分量與三維精確解吻合很好，且簡化模型為等效單層殼模型，計算量與一階剪切變形理論相當，若殼體層數(shù)增加，其高效性更加顯著。

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