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原文传递点阵复合材料上层建筑与钢质主船体连接结构研究与设计

论文题名：	点阵复合材料上层建筑与钢质主船体连接结构研究与设计
关键词：	点阵夹芯板;复合材料;上层建筑;连接接头;结构优化;渐进损伤分析
摘要：	世界范围内海洋权益的冲突和对抗日益激烈，使得舰艇对轻质化和隐身性的追求更加迫切，复合材料因具有高比刚度和比强度、优异的电磁性能和可设计性的特点得到广泛应用。点阵夹芯材料作为新型的轻质夹层复合材料，芯材内隐身材料的填充使点阵材料成为一种很有应用前景的建造上层建筑的材料。但复合材料较低的延展性使得连接结构载荷重新分配能力较弱，可能导致结构的局部损伤或整体失效，且经验表明复合材料的损伤大部分发生在连接结构，严重制约了复合材料上层建筑的应用与建造。因此，开展点阵复合材料上层建筑与钢质主船体的连接结构设计和优化，以及典型连接结构的极限载荷和损伤机理的研究，对复合材料上层建筑的上舰应用和复合材料结构的大型化具有重要的军事意义。　　本文建立了基于连续介质损伤力学的复合材料层合板渐进损伤分析三维有限元模型，采用Hashin强度判断准则和Ye分层准则，并基于ABAQUS编写了用户材料子程序 UMAT（User Material），集成了复合材料的本构方程、损伤起始准则和损伤扩展准则，分析单向拉伸/压缩载荷作用下不同铺层顺序的带孔层合板试件的极限承载能力，计算结果与文献数据吻合较好，验证了有限元模型的有效性。　　在复合材料上层建筑的载荷特性研究方面，以某型轻型钢质上层建筑为原型，利用CFD（Computational Fluid Dynamics）数值分析方法研究上层建筑的风载分布特性，并将风载分布简化为适合于工程应用的周向平均压力系数；推导了复合材料上层建筑附加惯性载荷对结构的影响规律，并结合现行军规推导了舰船横摇和纵摇两种摇摆状态下的摇摆周期和摇摆幅值，给出了舰船惯性载荷计算方法及上层建筑甲板上浪砰击载荷的计算方法。　　基于“积木式”的复合材料结构设计思路，开展了作为元件的层合板的连接结构铺层设计和制备工艺的研究，通过设计连接结构的拉伸试验和拉压疲劳试验，得到连接结构的静力学和疲劳性能并验证了层合板制备加工工艺的稳定性，验证了复合材料渐进损伤分析数值算法的准确性，为进一步开展复合材料点阵连接结构设计提供基础。　　应用理论分析、数值计算与试验验证分析了点阵夹层板的力学性能。通过分析点阵胞元的变形机制，结合结构力学位移法，推导夹芯板面外剪切应力与点阵芯材支杆应力的关系，推导并提出了点阵夹芯板的数值简化分析方法；开展了点阵夹芯板的平压、侧压、剪切和三点弯曲试验并得到点阵夹芯板的力学性能参数，验证了基于刚度的点阵夹芯板数值算法的有效性，能够结合理论分析给出较好的预测结果。　　开展了点阵夹芯板与钢质结构的连接结构设计优化，改进了T型连接构型，基于知识库方法对 T型连接结构开展了连接参数设计、面板连接区域与过渡区域的铺层顺序设计，并通过设计样件和试验验证了连接结构设计和数值算法的有效性，设计的连接接头具有构造简单、承载能力高的特点，最终形成了一套基于“积木式”设计思路的复合材料连接结构的设计方法，并给出一系列改进方法进一步提高连接结构性能的建议。　　计算分析了复合材料上层建筑与钢质主船体连接结构的变形与应力分布规律，确定了验证性试验的考核指标，提出了两种不同的试验加载方法，分析了自由度约束条件对连接结构变形与应力的研究，并通过对比最终确定采用组合式加载的初步试验方案。　　本文的研究成果可应用于纤维增强的夹芯板复合材料上层建筑与主船体的连接结构设计和优化。
作者：	王伟
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	姚熊亮
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文