● 摘要
本文采取理论模型、数值计算和实验验证相结合的的方法，对含弱层层合梁、板、壳结构的力学性能进行了系统、深入的研究。结果表明：中间弱层带来的层间剪切效应对层合结构的力学性能起着极其重要的作用，经典层合板理论分析的误差会随着层间剪切效应的增大而迅速增加；当中间弱层厚度变大时，在局部冲击荷载作用下，弱层的挤压应变效应、层间剪切效应同结构的膜力效应耦合在一起，会使层合板的力学性能呈现出更复杂的特性，此时经典层合板理论不再适用。在理论研究的基础上，通过数值模拟与实验验证的办法研究了含弱层飞机座舱与风挡结构的抗鸟撞性能。本文的创造性贡献有：（1） 放弃了传统梁、板、壳结构的直法线假设，采用分段位移场模式，基于小挠度理论和最小势能原理，提出了含弱层复合材料梁及浅柱面壳的静动力分析模型。该模型充分考虑了中间弱层引起的层间剪切效应及可能导致的翘曲对于层合结构静动力特性的影响。其中含胶（弱）层复合材料梁的分析模型考虑了弱胶层与复合材料低剪切模量等因素的综合影响。基于迦辽金法，推导了这两个模型求解的计算方法，并通过典型算例对比了该计算模型同经典层合板理论，探讨了影响二者之间误差的影响因素。（2） 放弃了传统梁、板、壳结构的直法线假设，采用分段位移场模式、基于大挠度理论并结合最小加速度原理，推导了内含弱层材料层合圆板受到鸟体或其他飞射物撞击的分析模型并给出了计算方法。该模型充分考虑了中间弱层带来的层间剪切效应与结构由大挠度诱导的膜力等产生的耦合效应，研究了这种效应对夹胶玻璃之类层合板结构性能的影响。计算结果表明，耦合效应对层合圆板的抗冲击动力性能起着非常重要的作用，此时经典层合板理论将不再适用。同时预测结果也显示出经典层合板理论的误差主要来自于三个方面：中间弱层的弹性模量、圆板半径以及冲击力大小。（3） 基于分段位移场、大挠度理论结合最小加速度原理推导了复合材料面层夹芯板在冲击荷载作用下的弹塑性动力响应模型。该模型在假定芯层为弹塑性材料的同时还考虑了复合材料面层的剪切应变、中间弱芯层挤压应变、芯层层间剪切效应以及层合板结构的膜力效应等一系列因素的对夹芯板之类结构性能的影响。数值计算结果显示：芯层的厚度与力学参数对夹芯板的力学性能有着重要的作用；芯层的挤压应变效应、层间剪切效应同结构的膜力效应耦合在一起，会使夹芯板的力学性能呈现出更复杂的特性。（4） 将含弱层层合梁板壳静动力特性研究的思想用于指导某大型直升机风挡与座舱复杂结构抗鸟撞性能设计。过去的鸟撞研究工作均未涉及到含弱层的层合板复杂结构，本文首次对这一问题进行了细致的探讨。建立了基于经典层合板理论的的模型一与考虑不同弱层效应的基于分层实体单元的三个有限元模型。基于极限分析方法对这四个有限元模型的鸟撞过程进行了数值模拟计算，讨论了弱层效应对结构动力响应的重要作用。通过该结构的全尺寸鸟撞实验进行验证，考虑了模型中所有弱层效应的模型四的数值计算结果同实验结果极为接近，而其它三个模型的计算误差相对较大，从而该研究结论进一步证明了前述理论模型分析的正确性。