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原文传递三维点阵复合材料上层建筑力学性能与结构设计研究

论文题名：	三维点阵复合材料上层建筑力学性能与结构设计研究
关键词：	三维点阵;复合材料;军舰上层建筑;结构优化;螺栓连接;力学性能
摘要：	随着制造技术的进步，具有三维周期微观结构的点阵复合材料的应用成为可能，该材料轻质高强，适合作为轻质夹层结构的夹层，其应用于水面舰艇上层建筑，可显著减轻上层建筑的重量，同时其较大的空隙可以填充隐身材料，实现舰艇的隐身。因而，三维点阵复合材料被认为是一种很有前景的制造军舰上层建筑的材料。　　本研究应用理论、数值与试验方法，分析了三维点阵夹层梁的力学性能。在理论上，通过分析三维点阵胞元的变形机制，利用结构力学位移法，独立的得到了Mindlin板面外剪切应力与点阵芯材杆应力的关系。提出了三维点阵夹层梁有限元分析的三种建模方法“三维建模方法”、“ABDH方法”与“层合建模方法”。下一步通过三点弯曲试验，观察、总结了碳纤维三维点阵梁的几种失效模式，给出了各失效模式的计算公式。接下来通过分析实验数据，得到了三维点阵梁的刚度与强度的试验拟合值。通过将数值计算值、理论值与实验值进行对比。得到了各个方法的计算精度。结论是刚度建议用ABDH方法结合实验进行预测，强度建议用三维建模方法结合理论计算公式、试验进行预测。　　在实际的工程中，三维点阵夹层多用于板而非梁。本文通过进一步的力学分析，将有关三维点阵夹层梁的计算方法，推广到二维构件三维点阵夹层板上，给出了三维点阵夹层板各失效模式的计算公式。并给出了一种对现有的有限元板单元进行扩展来计算三维点阵夹层板的方法。提出了三维点阵结构的层级式分析方法与优化方法。　　尽可能的降低结构重量是复合材料结构设计的目标。本文以某典型轻型钢质上层建筑为原型，对三维点阵复合材料上层建筑进行了优化设计与分析，并将其与钢质上层建筑的力学性能进行了比较。所设计的三维点阵复合材料结构的最大变形为钢制结构的40％，同时重量小于钢制结构的70%。　　复合材料与钢结构的连接是设计中的重点与难点，本文将三维点阵复合材料上层建筑与钢制甲板的连接进行了设计与分析。本研究原创性的设计研发了螺栓 T型连接的节点形式。这类节点方便与甲板焊接，便于局部加强，构造较简单，面内面外承载能力均较强。从力学分析与制造工艺的角度均较适宜做钢制甲板与三维点阵复合材料上层建筑节点的连接形式。对于铺层与尺寸设计，本研究得到了一套设计准则，建立了相关的知识库，并利用知识库对该类节点进行了参数化建模，对节点进行了铺层与尺寸设计。这种以设计准则为基础，建立知识库进行参数化设计的方法可以大大提高设计效率，适宜在工程中推广与使用。复合材料的设计与分析需采用积木式的试验来进行验证，本研究设计了一系列元件与验证性试验，验证了该连接设计的力学可靠性与数值仿真方法计算结果的有效性。并根据试验结果给出了该连接设计可通过加强过渡区、添加肘板和改进制造工艺来进一步提高性能的建议。
作者：	董一帆
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	姚熊亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文