题目：高温环境下板壳结构局部屈曲理论与试验研究

随着航空、航天飞行器性能的不断提高，高温板壳结构因更加复杂的热载荷和机械载荷引起的局部屈曲失效问题尤为突出。发生局部屈曲失效的部位具有复杂边界、不均匀温度分布、不均匀刚度分布、边界存在压应力、微小缺陷、材料非线性等综合特点，使得传统的高温板壳结构的热屈曲与蠕变屈曲分析方法，在解决热-机械载荷耦合作用下复杂板壳结构的屈曲问题时存在较大的局限性。传统的热屈曲解析方法无法对其进行力学性态分析，已有的数值分析方法也仅能求解高温板壳结构的分叉屈曲问题，分叉屈曲温度在实际的结构设计中并不是保守解，并且由于计算费用的限制，目前对于复杂的高温板壳结构局部热屈曲的分析仍没有十分有效的方法；另外，传统的蠕变屈曲分析方法，在求解复杂板壳结构的蠕变屈曲问题时，需要做大量的假设才能实现，这将大大地降低计算精度，影响高温板壳结构的工程设计。鉴于上述认识，本文基于初始后屈曲渐近分析理论和Hoff理论，结合复杂环境下板壳的结构特征和力学特征，提出了局部屈曲理论分析模型，掌握了局部屈曲的失稳机理；建立了适用于工程应用的局部屈曲数值仿真方法；通过机理性试验研究，验证了理论分析模型和数值仿真方法的正确性，形成了一套完整的高温板壳结构局部热屈曲与蠕变屈曲的设计技术，并通过工程应用验证了其可行性与适用性。针对在高温和复杂应力环境下的板壳结构，开展了适用于工程应用的局部热屈曲分析理论和计算方法研究。在理论分析模型研究中，根据高温板壳的结构特征，以及可能出现热屈曲部位的约束条件和载荷环境，提出“机械载荷等效成局部边界压应力效应”的假设，在假设前提下提出了四种典型的局部热屈曲模型；采用广义变分原理与初始后屈曲渐近分析理论建立了四种模型的热屈曲问题控制方程，研究了完善和有初始缺陷板壳的后屈曲性态，得到了结构几何参数（长宽比、厚度等）对板壳结构后屈曲性态的影响规律，并将其推广到高阶热屈曲问题中。在数值仿真方法研究中，根据初始后屈曲渐近分析理论推导出热载荷和机械载荷耦合作用下的板壳结构热屈曲失稳边界的判据；以复杂高温板壳结构为研究对象，提出可以准确描述局部板壳结构边界条件和力学特征的子模型技术，建立了可充分考虑结构几何非线性和材料非线性的非线性热屈曲分析方法，并通过某工程实例试验验证了分析方法的正确性；将该方法扩展到塑性范围内，对比了弹性、弹塑性条件下高温板壳结构热屈曲性态，研究了结构几何参数（厚度、曲率半径等）对塑性热屈曲的影响规律，最终形成了一套适用于弹性范围、弹塑性范围的复杂板壳结构的局部热屈曲设计技术。作为弹塑性屈曲问题的一个延拓，本文针对复杂高温板壳的结构特点，根据其温度场和应力场的“局部”特性，首次提出“局部蠕变屈曲”的概念；基于Hoff理论建立了受压壳体的蠕变屈曲理论模型；以复杂高温板壳结构为研究对象，通过可以准确描述局部板壳结构边界条件和力学特征的子模型技术途径，建立了适用于复杂高温板壳结构进行非线性/热弹塑性/蠕变分析的方法，结合蠕变屈曲失稳判据，形成一套板壳结构局部蠕变屈曲的设计技术；结合某工程实例验证了局部蠕变屈曲数值仿真技术的正确性和适用性。为验证板壳结构局部热屈曲分析方法的适用性，开展了典型板壳结构的热屈曲试验研究，设计了可以实现不同温度分布、刚度分布、边界条件以及初始压应力的热屈曲试验装置，完成了多种影响因素下的热屈曲试验，得到了相应的影响规律，验证了热屈曲理论模型和数值分析模型的正确性，为高温板壳结构的热结构设计提供了强有力的试验支持。本文基于初始后屈曲渐近分析理论和Hoff理论，并结合有限元数值仿真方法和试验验证，建立了板壳结构局部热屈曲与蠕变屈曲分析技术，为进行航空、航天高温环境下板壳结构的稳定性设计提供了科学的、系统全面的、可靠而独特的新方法。