點陣復合材料上層建筑與鋼質主船體連接結構研究與設計.pdf

1、世界范圍內(nèi)海洋權益的沖突和對抗日益激烈，使得艦艇對輕質化和隱身性的追求更加迫切，復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計性的特點得到廣泛應用。點陣夾芯材料作為新型的輕質夾層復合材料，芯材內(nèi)隱身材料的填充使點陣材料成為一種很有應用前景的建造上層建筑的材料。但復合材料較低的延展性使得連接結構載荷重新分配能力較弱，可能導致結構的局部損傷或整體失效，且經(jīng)驗表明復合材料的損傷大部分發(fā)生在連接結構，嚴重制約了復合材料上層建筑的應用與建

2、造。因此，開展點陣復合材料上層建筑與鋼質主船體的連接結構設計和優(yōu)化，以及典型連接結構的極限載荷和損傷機理的研究，對復合材料上層建筑的上艦應用和復合材料結構的大型化具有重要的軍事意義。
　　本文建立了基于連續(xù)介質損傷力學的復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），集成了復合材料的本構方程、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。
　　在復合材料上層建筑的載荷特性研究方面，以某型輕型鋼質上層建筑為原型，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用的周向平均壓力系數(shù)；推導了復合材料上層建筑附加慣性載荷對結構的影響規(guī)律，并結合現(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”的復合材料結構設計思路，開展了作為元件的層合板的連接結構鋪層設計和制備工藝的研究，通過設計連接結構的拉伸試驗和拉壓疲勞試驗，得到連接結構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，為進一步開展復合材料點陣連接結構設計提供基礎。
　　應

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，結合結構力學位移法，推導夾芯板面外剪切應力與點陣芯材支桿應力的關系，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，能夠結合理論分析給出較好的預測結果。
　　開展了點陣夾芯板與鋼質結構的連接結構設計優(yōu)化，改進了T型連接構型，基于知

6、識庫方法對 T型連接結構開展了連接參數(shù)設計、面板連接區(qū)域與過渡區(qū)域的鋪層順序設計，并通過設計樣件和試驗驗證了連接結構設計和數(shù)值算法的有效性，設計的連接接頭具有構造簡單、承載能力高的特點，最終形成了一套基于“積木式”設計思路的復合材料連接結構的設計方法，并給出一系列改進方法進一步提高連接結構性能的建議。
　　計算分析了復合材料上層建筑與鋼質主船體連接結構的變形與應力分布規(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，