點陣復(fù)合材料上層建筑與鋼質(zhì)主船體連接結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計.pdf

1、世界范圍內(nèi)海洋權(quán)益的沖突和對抗日益激烈，使得艦艇對輕質(zhì)化和隱身性的追求更加迫切，復(fù)合材料因具有高比剛度和比強度、優(yōu)異的電磁性能和可設(shè)計性的特點得到廣泛應(yīng)用。點陣夾芯材料作為新型的輕質(zhì)夾層復(fù)合材料，芯材內(nèi)隱身材料的填充使點陣材料成為一種很有應(yīng)用前景的建造上層建筑的材料。但復(fù)合材料較低的延展性使得連接結(jié)構(gòu)載荷重新分配能力較弱，可能導致結(jié)構(gòu)的局部損傷或整體失效，且經(jīng)驗表明復(fù)合材料的損傷大部分發(fā)生在連接結(jié)構(gòu)，嚴重制約了復(fù)合材料上層建筑的應(yīng)用與建

2、造。因此，開展點陣復(fù)合材料上層建筑與鋼質(zhì)主船體的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，以及典型連接結(jié)構(gòu)的極限載荷和損傷機理的研究，對復(fù)合材料上層建筑的上艦應(yīng)用和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大型化具有重要的軍事意義。
　　本文建立了基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學的復(fù)合材料層合板漸進損傷分析三維有限元模型，采用Hashin強度判斷準則和Ye分層準則，并基于ABAQUS編寫了用戶材料子程序 UMAT（User Material），集成了復(fù)合材料的本構(gòu)方程、損傷起始準則和損傷擴展

3、準則，分析單向拉伸/壓縮載荷作用下不同鋪層順序的帶孔層合板試件的極限承載能力，計算結(jié)果與文獻數(shù)據(jù)吻合較好，驗證了有限元模型的有效性。
　　在復(fù)合材料上層建筑的載荷特性研究方面，以某型輕型鋼質(zhì)上層建筑為原型，利用CFD（Computational Fluid Dynamics）數(shù)值分析方法研究上層建筑的風載分布特性，并將風載分布簡化為適合于工程應(yīng)用的周向平均壓力系數(shù)；推導了復(fù)合材料上層建筑附加慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)行軍規(guī)

4、推導了艦船橫搖和縱搖兩種搖擺狀態(tài)下的搖擺周期和搖擺幅值，給出了艦船慣性載荷計算方法及上層建筑甲板上浪砰擊載荷的計算方法。
　　基于“積木式”的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，開展了作為元件的層合板的連接結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計和制備工藝的研究，通過設(shè)計連接結(jié)構(gòu)的拉伸試驗和拉壓疲勞試驗，得到連接結(jié)構(gòu)的靜力學和疲勞性能并驗證了層合板制備加工工藝的穩(wěn)定性，驗證了復(fù)合材料漸進損傷分析數(shù)值算法的準確性，為進一步開展復(fù)合材料點陣連接結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基礎(chǔ)。
　　應(yīng)

5、用理論分析、數(shù)值計算與試驗驗證分析了點陣夾層板的力學性能。通過分析點陣胞元的變形機制，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學位移法，推導夾芯板面外剪切應(yīng)力與點陣芯材支桿應(yīng)力的關(guān)系，推導并提出了點陣夾芯板的數(shù)值簡化分析方法；開展了點陣夾芯板的平壓、側(cè)壓、剪切和三點彎曲試驗并得到點陣夾芯板的力學性能參數(shù)，驗證了基于剛度的點陣夾芯板數(shù)值算法的有效性，能夠結(jié)合理論分析給出較好的預(yù)測結(jié)果。
　　開展了點陣夾芯板與鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，改進了T型連接構(gòu)型，基于知

6、識庫方法對 T型連接結(jié)構(gòu)開展了連接參數(shù)設(shè)計、面板連接區(qū)域與過渡區(qū)域的鋪層順序設(shè)計，并通過設(shè)計樣件和試驗驗證了連接結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)值算法的有效性，設(shè)計的連接接頭具有構(gòu)造簡單、承載能力高的特點，最終形成了一套基于“積木式”設(shè)計思路的復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，并給出一系列改進方法進一步提高連接結(jié)構(gòu)性能的建議。
　　計算分析了復(fù)合材料上層建筑與鋼質(zhì)主船體連接結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力分布規(guī)律，確定了驗證性試驗的考核指標，提出了兩種不同的試驗加載方法，