三維點陣復合材料上層建筑力學性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究.pdf

1、隨著制造技術(shù)的進步，具有三維周期微觀結(jié)構(gòu)的點陣復合材料的應用成為可能，該材料輕質(zhì)高強，適合作為輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的夾層，其應用于水面艦艇上層建筑，可顯著減輕上層建筑的重量，同時其較大的空隙可以填充隱身材料，實現(xiàn)艦艇的隱身。因而，三維點陣復合材料被認為是一種很有前景的制造軍艦上層建筑的材料。
　　本研究應用理論、數(shù)值與試驗方法，分析了三維點陣夾層梁的力學性能。在理論上，通過分析三維點陣胞元的變形機制，利用結(jié)構(gòu)力學位移法，獨立的得到了Min

2、dlin板面外剪切應力與點陣芯材桿應力的關(guān)系。提出了三維點陣夾層梁有限元分析的三種建模方法“三維建模方法”、“ABDH方法”與“層合建模方法”。下一步通過三點彎曲試驗，觀察、總結(jié)了碳纖維三維點陣梁的幾種失效模式，給出了各失效模式的計算公式。接下來通過分析實驗數(shù)據(jù)，得到了三維點陣梁的剛度與強度的試驗擬合值。通過將數(shù)值計算值、理論值與實驗值進行對比。得到了各個方法的計算精度。結(jié)論是剛度建議用ABDH方法結(jié)合實驗進行預測，強度建議用三維建模方

3、法結(jié)合理論計算公式、試驗進行預測。
　　在實際的工程中，三維點陣夾層多用于板而非梁。本文通過進一步的力學分析，將有關(guān)三維點陣夾層梁的計算方法，推廣到二維構(gòu)件三維點陣夾層板上，給出了三維點陣夾層板各失效模式的計算公式。并給出了一種對現(xiàn)有的有限元板單元進行擴展來計算三維點陣夾層板的方法。提出了三維點陣結(jié)構(gòu)的層級式分析方法與優(yōu)化方法。
　　盡可能的降低結(jié)構(gòu)重量是復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標。本文以某典型輕型鋼質(zhì)上層建筑為原型，對三維點陣

4、復合材料上層建筑進行了優(yōu)化設(shè)計與分析，并將其與鋼質(zhì)上層建筑的力學性能進行了比較。所設(shè)計的三維點陣復合材料結(jié)構(gòu)的最大變形為鋼制結(jié)構(gòu)的40％，同時重量小于鋼制結(jié)構(gòu)的70%。
　　復合材料與鋼結(jié)構(gòu)的連接是設(shè)計中的重點與難點，本文將三維點陣復合材料上層建筑與鋼制甲板的連接進行了設(shè)計與分析。本研究原創(chuàng)性的設(shè)計研發(fā)了螺栓 T型連接的節(jié)點形式。這類節(jié)點方便與甲板焊接，便于局部加強，構(gòu)造較簡單，面內(nèi)面外承載能力均較強。從力學分析與制造工藝的角度均

5、較適宜做鋼制甲板與三維點陣復合材料上層建筑節(jié)點的連接形式。對于鋪層與尺寸設(shè)計，本研究得到了一套設(shè)計準則，建立了相關(guān)的知識庫，并利用知識庫對該類節(jié)點進行了參數(shù)化建模，對節(jié)點進行了鋪層與尺寸設(shè)計。這種以設(shè)計準則為基礎(chǔ)，建立知識庫進行參數(shù)化設(shè)計的方法可以大大提高設(shè)計效率，適宜在工程中推廣與使用。復合材料的設(shè)計與分析需采用積木式的試驗來進行驗證，本研究設(shè)計了一系列元件與驗證性試驗，驗證了該連接設(shè)計的力學可靠性與數(shù)值仿真方法計算結(jié)果的有效性。并根