层级薄板结构的拉伸皱曲与裂纹扩展特性研究

作     者：尹悦 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王长国

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：层级结构 褶皱失稳 裂纹扩展 机器学习 混乱度 

摘      要：薄板结构广泛地应用在航空航天领域,但是薄板结构在其服役期间往往会由于褶皱失稳或裂纹形成而导致结构和功能失效,甚至会引发安全问题。当薄板结构受到压应力时容易失稳产生褶皱,对于高精度要求的航空航天领域,褶皱形成意味着结构失效。同样,薄板在长期服役过程中也容易产生微裂纹,在外界载荷的作用下裂纹会不断扩展,导致结构断裂。所以研究褶皱和裂纹形成机制,设计高稳定性、高强度和高韧性结构具有重要意义。首先,研究了薄膜结构在拉伸载荷的作用下失稳形成褶皱的过程。建立了受单轴拉伸的薄膜模型,通过有限元仿真的方法获取了薄膜结构的失稳过程和褶皱模态。探究了薄膜开孔位置和改变结构刚度对薄膜结构褶皱形成的影响规律,提出了变刚度结构力学模型,通过改变局部刚度的方法达到调控褶皱的目的。借鉴贝壳等生物的层级结构,选取两种不同刚度的材料,通过改变两种材料的分布设计出三种不同的单胞模型,并通过有限元仿真得到三种单胞结构的相关参数。通过在每个区域随机分布不同的单胞建立层级薄板结构,分析了褶皱的最终形式,根据褶皱的不同形式进行分类。通过机器学习来探究了不同的单胞分布对褶皱的影响,获取了层级结构对褶皱影响的分类规律。在此基础上提出混乱度的定义来描述材料的分布情况,通过机器学习来探究混乱度与褶皱分布之间的规律,并在误差允许的范围内来评价了以上两种分类方法的可行性。研究了变刚度对抑制薄板结构裂纹扩展的影响。建立带有预制裂纹的层级薄板模型,并划分为64块区域,每个区域随机分布不同的单胞（上面设计的三种单胞）。探究了不同的单胞分布对薄板结构抑制裂纹扩展影响规律。对于这种非均匀材料提出有效强度和有效韧性的定义,以此来判定不同的结构对抑制裂纹扩展的效果。该模型具有非常大的样本空间,故通过机器学习的方法来探究不同的单胞分布对抑制裂纹扩展的影响,最后优化出相对已有样本更好的结构,该结构具有更高的有效强度和有效韧性,即优化出可以更好的抑制裂纹扩展的变刚度分布结构。