三維點(diǎn)陣復(fù)合材料上層建筑力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.pdf

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

2、dlin板面外剪切應(yīng)力與點(diǎn)陣芯材桿應(yīng)力的關(guān)系。提出了三維點(diǎn)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(diǎn)彎曲試驗(yàn)，觀察、總結(jié)了碳纖維三維點(diǎn)陣梁的幾種失效模式，給出了各失效模式的計(jì)算公式。接下來通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了三維點(diǎn)陣梁的剛度與強(qiáng)度的試驗(yàn)擬合值。通過將數(shù)值計(jì)算值、理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。得到了各個(gè)方法的計(jì)算精度。結(jié)論是剛度建議用ABDH方法結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，強(qiáng)度建議用三維建模方

3、法結(jié)合理論計(jì)算公式、試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
　　在實(shí)際的工程中，三維點(diǎn)陣夾層多用于板而非梁。本文通過進(jìn)一步的力學(xué)分析，將有關(guān)三維點(diǎn)陣夾層梁的計(jì)算方法，推廣到二維構(gòu)件三維點(diǎn)陣夾層板上，給出了三維點(diǎn)陣夾層板各失效模式的計(jì)算公式。并給出了一種對(duì)現(xiàn)有的有限元板單元進(jìn)行擴(kuò)展來計(jì)算三維點(diǎn)陣夾層板的方法。提出了三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的層級(jí)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。本文以某典型輕型鋼質(zhì)上層建筑為原型，對(duì)三維點(diǎn)陣

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

5、較適宜做鋼制甲板與三維點(diǎn)陣復(fù)合材料上層建筑節(jié)點(diǎn)的連接形式。對(duì)于鋪層與尺寸設(shè)計(jì)，本研究得到了一套設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，建立了相關(guān)的知識(shí)庫，并利用知識(shí)庫對(duì)該類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了參數(shù)化建模，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了鋪層與尺寸設(shè)計(jì)。這種以設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，建立知識(shí)庫進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法可以大大提高設(shè)計(jì)效率，適宜在工程中推廣與使用。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與分析需采用積木式的試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，本研究設(shè)計(jì)了一系列元件與驗(yàn)證性試驗(yàn)，驗(yàn)證了該連接設(shè)計(jì)的力學(xué)可靠性與數(shù)值仿真方法計(jì)算結(jié)果的有效性。并根