功能梯度材料层合圆柱壳屈曲行为及抗屈曲优化设计研究

Functionally graded materials (FGM) and laminated composite materials have the widespread applications in aerospace engineering, shipping industry, electronic industry, nuclear facilities, etc. These kinds of materials, which have exhibited excellent performances, are usually used individually in practice. In this project, to complement each other with their own advantages, new materials should be presented firstly and the constructed structures can serve in more extreme environment. Therefore, the related researches should have a broad application prospect and more realistic significance. In the study, buckling behaviors, anti-buckling design and structural optimization of an FGM laminated cylindrical shell are investigated under the combined mechanical and thermal loads. By employing the analytical method, numerical simulations and optimization method, a series of problems, including critical buckling loads, post-buckling behaviors and imperfection sensitivity, are resolved in the analysis. Meanwhile, based on the influence caused by the non-uniform thickness and distributed gradient of FGM layer, a feasible anti-buckling design is obtained by optimizing the constituent distribution and geometric control parameters. With the implementation of the project, an interesting anti-buckling function for the FGM structures should be developed. The research findings should promote the progress of the materials science and establish the theoretical basis for the application of this materials structure.

功能梯度材料和层合复合材料已在宇航、船舶、电子和核能等工业领域广泛应用。这两种材料通常均单独使用并发挥各自不同的优良性能。本项目将它们优势互补地有机结合，构造出对极端环境耐受能力更佳的优化结构。相关研究成果具有广泛的应用前景和重要的现实意义。研究中以一类功能梯度材料层合圆柱壳为对象，采用解析法、数值模拟以及优化设计方法，对其在力、热荷载耦合作用下的屈曲行为、抗屈曲设计及结构优化问题开展深入的研究。建立可解决该类壳体屈曲临界荷载、后屈曲行为和缺陷敏感度问题的分析方法。在此基础上，重点研究功能梯度材料层厚度和材料组份分布梯度的非一致性对壳体屈曲行为的影响，并借助优化设计方法获得抗屈曲性能最佳的材料分布和结构尺寸控制参量，从而提出一种可行的抗屈曲设计构想。本项目的实施将赋予功能梯度材料一种新的抗屈曲功能，推进学科发展，并为该类材料结构的研究和应用提供理论基础和依据。

功能梯度材料是一种组份分布、微观结构和原子排列等材料要素随空间位置呈梯度变化的复合材料，广泛用于宇航、船舶、电子和核能等工业领域，为了充分发挥功能梯度材料的特性，将其与传统层合复合材料的设计理念相结合，提出了一类层合功能梯度材料，并对层合功能梯度材料圆柱壳的屈曲行为和抗屈曲设计问题进行了理论研究，本项目首先基于Reddy高阶剪切变形理论和Eringen非局部理论对单层功能梯度宏观圆柱壳和纳米梯度圆柱壳的屈曲行为进行了分析，而后针对格栅增强和压电纤维梯度分布增强的功能梯度圆柱壳抗屈曲设计问题进行了细致研究，最后针对碳纤维增强材料与功能梯度材料复合而成的层合圆柱壳屈曲行为进行了解析求解。本项目获得了若干中等厚度宏观和纳米圆柱壳屈曲临界载荷的高精度解析解，探讨了中厚壳理论适用的几何参数范围，在纳米尺度功能梯度圆柱壳的屈曲问题研究中，发现了屈曲临界载荷随尺度效应变化的突变规律，并评估了表面效应对纳米梯度圆柱壳屈曲行为的影响。针对格栅增强功能梯度圆柱壳，给出了它们对圆柱壳几何缺陷的敏感程度，并借助压电纤维的优异压电性能和力学性能，提出了一种压电纤维沿壳体径向梯度分布的新型抗屈曲设计。得到了功能梯度层和碳纤维层参数对功能梯度层合圆柱壳整体屈曲性能的影响规律，提出了一种精确求解其后屈曲行为的求解方法。本项目研究所获成果已在多个国际权威期刊发表，如Composite Structures，Composites Part B: Engineering 和 Journal of Applied Physics 等，得到了同行专家的高度评价，并获得了多项本省市的自然科学学术成果奖，为板壳结构的稳定性理论研究做出了重要贡献，推动了相关学科发展，为该类结构的广泛应用奠定了理论基础。