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基于连续碳纤维增强复合材料的船体分段结构设计及3D打印工艺研究
| 论文题名： | 基于连续碳纤维增强复合材料的船体分段结构设计及3D打印工艺研究 |
| 关键词： | 船体板材;碳纤维增强复合材料;分段结构;3D打印 |
| 摘要： | 随着国家“海洋强国”战略的实施，以及目前工业不断向着智能化发展，船舶制造领域也要实现一定的技术革命。为响应国家发展振兴制造业的号召，将3D打印技术应用于船舶制造领域，改变传统船舶建造方式，快速打印船舶已经成为当前的研究热点。3D打印在船舶领域应用最大限制之一就是打印材料的问题。连续碳纤维具有高比强度、高比模量、耐摩擦、耐腐蚀、耐疲劳等优点，将其与容易打印成型的热塑性树脂材料结合形成新型复合材料，在强度方面一定程度上可以替代钢材应用到船舶制造领域，解决了3D打印材料的问题，实现了3D打印技术在船舶制造领域更进一步的发展。 首先采用熔融沉积式3D打印工艺，用改良后的连续碳纤维增强聚碳酸酯作为3D打印材料。根据3D打印的成型原理，结合复合材料单层板以及层合板概念，确定以某一确定的3D打印工艺参数打印出的板材，其结构在力学上属于正交各项异性层合板结构。进而推导出表征正交异性结构所需的四个工程弹性常数E1、E2、v12、G12，设计拉伸实验、三点弯曲实验，对材料工程弹性常数及弯曲强度进行测量；并用测量的参数进行三点弯曲实验ANSYS有限元仿真，模拟结果与实验结果误差为0.75%，验证了应用测量的工程弹性常数进行模拟仿真的可行性。 其次分析了船舶板材的主要承力特点，在3D打印的基础上，针对主要承受弯曲应力及扭转应力的板材进行了内部填充结构的设计，并用三点弯曲实验与数值模拟的方法对设计的结构进行验证分析，选取最优的设计方案，并给出板材在3D打印中连续碳纤维的布丝角度及铺层规律。 最后在连续碳纤维3D打印基础上，以“一体化成型”为基本准则，对船体分段结构进行设计，结合3D打印过程中的问题，不断优化3D打印工艺参数，改进设计的结构，完成了船体分段的打印组装。 船体板材是船体结构中非常重要的组成部分，在3D打印的基础上，对船体分段板材结构进行设计，可以为后续3D打印在船舶制造中的应用提供一定的参考，并且该项技术的研发会实现船舶建造方式的技术革命，在国家发展战略上有着非常重要的意义。 |
| 作者： | 司志夫 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 汪骥 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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