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原文传递冲击载荷下复合材料双箭头拉胀结构动态响应及失效机理研究

论文题名：	冲击载荷下复合材料双箭头拉胀结构动态响应及失效机理研究
关键词：	舰艇;碳纤维增强复合材料;双箭头拉胀结构;抗冲击性能;弯曲失效;数值仿真
摘要：	双箭头拉胀结构作为一种具有负泊松比拉胀效应的新型夹芯结构，因在承受拉伸载荷时会在垂直方向发生膨胀，在承受压缩载荷时则发生收缩的独特效应而受到广泛关注。与此同时，由碳纤维增强复合材料制备而成的结构，因具有重量轻，化学性质稳定和耐腐蚀等特点，顺应着现代舰艇快速性和轻量化的发展趋势。碳纤维增强复合材料双箭头拉胀结构基于前者的优点而被设计和制备，且有望成为现代舰艇的防护结构。但舰船在服役期间，防护结构可能会受到各种武器的攻击和破坏，所以有必要对复合材料双箭头拉胀结构的抗冲击性能进行研究。本文主要研究内容如下：　　（1）利用模具热压和粘接成型工艺制备了三种不同相对密度的复合材料双箭头拉胀结构。依据ASTM标准，对双箭头拉胀结构进行三点弯曲试验，通过实验获得了三种相对密度双箭头拉胀结构的弯曲失效模式和载荷-位移曲线，进而探讨了相对密度对双箭头拉胀结构弯曲性能的影响。结果表明：相对密度对结构的弯曲性能具有重要的影响，结构的弯曲失效载荷和失效载荷与失效位移比值(P/?)均随着相对密度增大而增大。　　（2）基于冲击加载装置，对复合材料双箭头拉胀结构及泡沫增强拉胀结构进行局部冲击载荷实验研究，探讨了相对密度及泡沫填充对复合材料双箭头拉胀结构动态响应，失效模式和拉胀效应的影响。实验结果表明，相对密度增大，结构局部变形降低，整体响应增强，减轻了冲击部位芯层破坏，使得复合材料双箭头拉胀结构抗冲击性能提高。另外，在芯层空隙中填充聚氨酯泡沫，使得芯层构件与泡沫块在冲击载荷作用下产生协同作用，阻碍了芯层构件在冲击过程中的横向偏转和移动。与此同时，泡沫填充使得能量更快地传递到整体结构上，引起结构具有更广泛的整体变形，减少了结构局部响应造成芯层破坏，从而提高了结构的完整性及抗冲击性能。最后，采用渐进损伤模型对复合材料双箭头拉胀结构在局部冲击载荷下的响应进行了数值仿真，并将仿真结果与实验结果进行了对比分析。　　（3）基于功能梯度材料的设计概念，以芯层壁厚为自变量，在保证相对密度不变的基础上，提出了芯层壁厚正梯度，负梯度和均匀梯度分布的双箭头拉胀结构。通过试验和有限元模拟，研究了芯层壁厚梯度分布对复合材料双箭头拉胀结构在局部冲击载荷作用下抗冲击性能的影响。通过对不同芯层壁厚梯度分布的双箭头拉胀结构动态响应，失效模式和拉胀效应的分析，将壁厚较大的芯层放置在最靠近冲击端时，能够有效降低双箭头拉胀结构后面板横向变形和减轻结构局部位置的破坏和失效，从而对复合材料双箭头拉胀结构的抗冲击性能具有明显的提升效果。
作者：	敖耀良
专业：	船舶与海洋工程
导师：	刘加一;张满弓
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021