原文传递
船用夹芯复合材料典型结构极限承载试验与模拟研究
| 论文题名： | 船用夹芯复合材料典型结构极限承载试验与模拟研究 |
| 关键词： | 船用复合材料结构;极限承载能力;渐进损伤;极限强度;数值模拟;失效模式 |
| 摘要： | 现代海军对隐身性、电磁兼容性、轻量化等特性的要求日益提高。复合材料上层建筑结构是海军舰艇发展的必然趋势。同时，针对大型邮轮对安全性、轻量化与经济性的需求，复合材料结构是目前解决此问题的唯一途径。鉴于当前夹芯复合材料结构在外载荷作用下的失效原理与规律认识仍不完善，工程上也未形成简单有效的极限承载能力计算方法。 首先从理论出发，构建了渐进损伤失效模型。 将沿纤维轴向的拉伸失效明确分为纤维向的基体拉伸失效和纤维断裂两个阶段。纤维向的基体拉伸失效具有独立的判据、破坏应力和完全损伤后的剩余刚度。对纤维轴向的压缩失效，扩展LaRC03中的纤维压缩折曲准则至平纹编织增强结构。构建了基于失效准则的刚度损伤矩阵；结合瞬时刚度折减与连续刚度折减模型的优势，提出了混合刚度折减模型。最后根据提出的修正失效准则和混合刚度折减模型开发了基于Abaqus平台的VUMAT子程序，采用显式算法进行结构强度数值模拟。 随后开展了夹芯复合材料“L型”、“T型”节点极限强度试验及数值模拟研究。 对三种不同过渡半径的“L型”节点结构进行了拉伸弯曲和压缩弯曲作用下结构变形、应变以及损伤的观测。结合试验数据和影像资料分析了结构损伤规律，提出了损伤特征点的确定方法。应用开发的有限元子程序进行试件渐进损伤模拟分析，得到了损伤特征点对应的模拟损伤状态，以及损伤萌生与发展过程。总结提出了“L型”节点的损伤预测图谱。 针对失效模式更为复杂的“T型”节点开展了极限弯曲试验研究与模拟研究。试验研究中，通过对极限试验应变变化以及循环阶梯加载试验数据的分析，分别得到了两个结构损伤载荷范围。使用更加精细的建模策略，结合开发的子程序开展计算模拟研究。得到了能准确还原“T型”节点复杂的失效形态以及损伤特征载荷的模拟结果。 最后，开展了船用大中型夹芯复合材料结构渐进失效计算模型研究。 将前文的渐进失效方法向二维壳单元适配，并针对夹芯结构提出相应的简化建模方法。以“L型”与“T型”节点为对象进行计算模型研究，探讨建模方法与单元尺寸的选择，在确保损伤模拟准确的前提下提高计算效率以适应大型结构。开展对加筋板架的试验与计算，验证方法的精度与效率。最后对复材上建局部舱室开展了抗爆炸冲击波及低速侵入损伤分析，得到了详细合理的结构损伤预测。结果表明简化计算模型面对大型结构在复杂渐进损伤分析能力和建模计算综合效率上具有显著优势。 |
| 作者： | 秦恺 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 严仁军 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2020 |
检索历史
应用推荐
