艦船復(fù)合材料上層建筑連接結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究.pdf

1、復(fù)合材料憑借其優(yōu)良的性能特征在船舶領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，為艦船輕量化、隱身、防腐等性能的提高帶來了新的可能。然而，復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式、力學(xué)特性與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)有很大不同。尤其是不同材料之間的連接結(jié)構(gòu)，其性能特征直接關(guān)系到整個船體結(jié)構(gòu)的安全。由于復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的承載特性和損傷機(jī)理較為復(fù)雜，在船舶領(lǐng)域的研究尚不完善。本文重點(diǎn)研究復(fù)合材料上層建筑的連接結(jié)構(gòu)，針對船舶要求設(shè)計不同形式的輕量化連接結(jié)構(gòu)，提出了一種綜合改進(jìn)方法用于復(fù)合材料

2、膠接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析。通過與力學(xué)試驗和解析方法進(jìn)行對比分析，研究膠接連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性、極限承載、失效模式和強(qiáng)度響應(yīng)參數(shù)，在證明本文方法有效的同時為復(fù)合材料船舶的連接設(shè)計、輕量化設(shè)計提供支撐。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　（1）綜述復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn)，分析復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點(diǎn)、力學(xué)特性以及強(qiáng)度影響因素等，確定本文的研究目標(biāo)和研究內(nèi)容。
　　（2）針對適用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的輕量化膠接連接展開研究，對

3、比研究解析分析和有限元方法，提出本文的綜合改進(jìn)方法—CFP方法（Comprehensively improved method）。該方法主要包括理論模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則和退化方案三個部分。通過研究理論模型和強(qiáng)度準(zhǔn)則，在集成傳統(tǒng)強(qiáng)度判據(jù)優(yōu)勢特征的同時，將內(nèi)聚力模型引入不同材料的交界處改善膠層界面的力和位移關(guān)系，形成綜合強(qiáng)度準(zhǔn)則用于不同材料的失效判定；研究損傷退化理論，針對多材料混合膠接結(jié)構(gòu)，結(jié)合力學(xué)試驗，給出改進(jìn)的損傷-破壞準(zhǔn)則；設(shè)計 CFP方

4、法的計算分析流程并開發(fā)對應(yīng)程序，用于復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
　?。?）研究金屬材料之間、復(fù)合材料之間以及金屬與復(fù)合材料之間的基礎(chǔ)單搭接膠接結(jié)構(gòu)，通過與解析分析和力學(xué)試驗進(jìn)行對比，證明了本文CFP方法在有限元應(yīng)用中的有效性。研究復(fù)合材料單搭接膠接接頭的應(yīng)力特性，總結(jié)單搭接長度、膠層厚度、被粘物厚度、端部形狀以及膠層間隙等參數(shù)對接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律。
　?。?）應(yīng)用輕質(zhì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計不同形式的T形連接

5、，用于船體艙壁（或艙壁與甲板、板材與加強(qiáng)筋）之間的連接位置。通過二維CFP仿真分析和力學(xué)試驗，進(jìn)行極限承載預(yù)報，仿真結(jié)果與試驗值相比誤差較小。引入用于系統(tǒng)分析和綜合決策評價的AHP方法進(jìn)行設(shè)計方案的尋優(yōu)評估，獲得最佳 T形連接形式。研究其結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，獲得連接區(qū)的幾何尺寸和材料特性對T形連接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有重要影響。
　?。?）針對復(fù)合材料上層建筑和鋼質(zhì)主船體之間的連接問題，設(shè)計多種混合y形連接結(jié)構(gòu)。通過三維CFP方法模擬和力學(xué)試驗

6、，研究y形連接的失效模式和承載特征，模擬結(jié)果與試驗現(xiàn)象吻合較好。權(quán)衡初始失效、極限承載、最大位移、重量和成型工藝等評估準(zhǔn)則，確定y形連接的最佳設(shè)計方案。提取蒙皮、夾芯、膠層等關(guān)鍵路徑的應(yīng)力場特性，系統(tǒng)分析y形連接的受力特征，進(jìn)而研究其強(qiáng)度響應(yīng)參數(shù)，總結(jié)材料特性、構(gòu)件尺寸以及局部缺陷等因素對連接結(jié)構(gòu)的重量和極限承載的影響規(guī)律，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供變量參數(shù)。
　?。?）針對艦船通用上層建筑，以復(fù)合材料T形連接和y形連接作為結(jié)構(gòu)