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原文传递舰船复合材料上层建筑连接结构设计优化研究

论文题名：	舰船复合材料上层建筑连接结构设计优化研究
关键词：	舰船轻量化;复合材料;连接结构;力学性能
摘要：	复合材料凭借其优良的性能特征在船舶领域得到越来越多的应用，为舰船轻量化、隐身、防腐等性能的提高带来了新的可能。然而，复合材料船体结构的设计方式、力学特性与传统金属结构有很大不同。尤其是不同材料之间的连接结构，其性能特征直接关系到整个船体结构的安全。由于复合材料连接结构的承载特性和损伤机理较为复杂，在船舶领域的研究尚不完善。本文重点研究复合材料上层建筑的连接结构，针对船舶要求设计不同形式的轻量化连接结构，提出了一种综合改进方法用于复合材料胶接结构的力学性能分析。通过与力学试验和解析方法进行对比分析，研究胶接连接结构的应力特性、极限承载、失效模式和强度响应参数，在证明本文方法有效的同时为复合材料船舶的连接设计、轻量化设计提供支撑。本文主要研究内容如下：　　（1）综述复合材料在船舶领域的应用研究现状和研究热点，分析复合材料连接结构的设计特点、力学特性以及强度影响因素等，确定本文的研究目标和研究内容。　　（2）针对适用于复合材料结构的轻量化胶接连接展开研究，对比研究解析分析和有限元方法，提出本文的综合改进方法—CFP方法（Comprehensively improved method）。该方法主要包括理论模型，强度准则和退化方案三个部分。通过研究理论模型和强度准则，在集成传统强度判据优势特征的同时，将内聚力模型引入不同材料的交界处改善胶层界面的力和位移关系，形成综合强度准则用于不同材料的失效判定；研究损伤退化理论，针对多材料混合胶接结构，结合力学试验，给出改进的损伤-破坏准则；设计 CFP方法的计算分析流程并开发对应程序，用于复合材料胶接结构的力学性能分析和结构优化设计。　　（3）研究金属材料之间、复合材料之间以及金属与复合材料之间的基础单搭接胶接结构，通过与解析分析和力学试验进行对比，证明了本文CFP方法在有限元应用中的有效性。研究复合材料单搭接胶接接头的应力特性，总结单搭接长度、胶层厚度、被粘物厚度、端部形状以及胶层间隙等参数对接头强度的影响规律。　　（4）应用轻质复合材料夹层结构设计不同形式的T形连接，用于船体舱壁（或舱壁与甲板、板材与加强筋）之间的连接位置。通过二维CFP仿真分析和力学试验，进行极限承载预报，仿真结果与试验值相比误差较小。引入用于系统分析和综合决策评价的AHP方法进行设计方案的寻优评估，获得最佳 T形连接形式。研究其结构响应参数，获得连接区的几何尺寸和材料特性对T形连接的结构强度具有重要影响。　　（5）针对复合材料上层建筑和钢质主船体之间的连接问题，设计多种混合y形连接结构。通过三维CFP方法模拟和力学试验，研究y形连接的失效模式和承载特征，模拟结果与试验现象吻合较好。权衡初始失效、极限承载、最大位移、重量和成型工艺等评估准则，确定y形连接的最佳设计方案。提取蒙皮、夹芯、胶层等关键路径的应力场特性，系统分析y形连接的受力特征，进而研究其强度响应参数，总结材料特性、构件尺寸以及局部缺陷等因素对连接结构的重量和极限承载的影响规律，为复合材料结构的优化设计提供变量参数。　　（6）针对舰船通用上层建筑，以复合材料T形连接和y形连接作为结构的设计节点，提出以夹芯板、夹芯板加空心帽形梁和夹芯板辅助实心帽形梁为基础的三种上层建筑设计方案。通过建立几何有限元模型和数学优化模型，应用零阶算法进行迭代优化，在保证力学性能的前提下，寻求上建结构的最小重量。通过与原始钢质结构进行对比研究，获得最佳的轻量化复合材料上层建筑设计方案，其减重效果可达58％。
作者：	李晓文
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	李平
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文