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船舶下水气囊的破坏机理与防撞性能研究
| 论文题名： | 船舶下水气囊的破坏机理与防撞性能研究 |
| 关键词： | 船舶下水气囊;帘线-橡胶复合材料;破坏机理;防撞性能 |
| 摘要： | 气囊因具有良好的压缩性和缓冲性能，被广泛应用于航空航天、汽车和船舶等领域。当前，对船舶下水气囊的研究多侧重于气囊承载性能方面，而对其破坏以及在动态碰撞中的研究及应用研究较少。本文结合科技部重点研发项目内容需求，首先对制造船舶下水气囊用的帘线和橡胶材料进行研究，获取准确的材料参数；然后采用有限元方法对船舶下水气囊在两种状态下的破坏机理进行研究，最后将其应用在船撞领域，研究其防撞性能。主要的研究内容与结论如下： （1）分别对橡胶试件与帘线试件进行单轴拉伸试验并获取材料参数，试验表明：橡胶和帘线具有非常明显的非线性特征，且橡胶具有明显的超弹性特性。基于有限元软件拟合，通过对比，采用前20%应变范围和Mooney-Rivlin函数对橡胶进行拟合并获取参数，构建了橡胶应变能函数模型。基于试验获取的参数，采用复合材料细观力学方法—Halpin-Tsai公式求出船舶下水气囊材料的参数，为后续采用有限元方法对船舶下水气囊进行研究奠定基础。 （2）利用网格和薄膜理论，推导出气囊的爆破压力公式。通过建模方式、内力分布和爆破压力的对比，验证了有限元模型的有效性。基于模型的有效性，采用有限元方法研究气囊在充气和承压两种状态下的破坏机理，研究表明：仅充气情况下气囊周向应力为纵向应力的两倍，破口处于气囊中部，沿气囊纵向呈条状。而承压改变了气囊的内力分布，纵向应力在承压时快速增大，并且超过周向应力，使破口沿气囊周向发展。 （3）推导了气囊承载力和刚度公式，分析了气囊刚度特性，确定了初始内压以及接触面积两个影响气囊刚度的主要因素。根据气囊的刚度特性，选取关键因素对单个气囊的防撞性能进行研究，结果表明：每一个气囊都会存在一个具有最佳防撞效果的初始内压，称为最佳内压，而接触面积越大，取得的防撞效果越好。基于单个气囊研究结果，设计出简单的气囊防撞装备结构形式，并对气囊防撞装备的布置形式、初始内压和气囊尺寸进行优化比选，最终确定防撞效果较好的气囊参数。 |
| 作者： | 孙大勇 |
| 专业： | 结构工程 |
| 导师： | 李晓彬 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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