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原文传递泡沫填充负泊松比结构的力学特性及在舷侧耐撞中的应用

论文题名：	泡沫填充负泊松比结构的力学特性及在舷侧耐撞中的应用
关键词：	船舶舷侧结构;负泊松比结构;泡沫填充;力学性能
摘要：	船舶舷侧结构的耐撞性设计，需要充分考虑在不影响船舶总体性能的前提下，探索新型材料、新型结构在船舶舷侧防撞结构中的应用。论文以一种具有独特力学性能的内凹负泊松比蜂窝结构为对象，提出了泡沫填充的内凹负泊松比蜂窝增强的复合结构构型，通过对其几何构型、试样制备方法、平面压缩特性、局部冲击特性等的研究，为该复合结构在舷侧耐撞结构方面的工程应用提供理论基础。主要研究工作如下: 　　（1）增强型内凹负泊松比结构单胞面内压缩性能研究。结合准静态试验、数值模拟及简化解析方法，对多种增强构型的内凹负泊松比单胞结构的平面压缩性能开展了研究，揭示了泡沫填充对内凹负泊松比单胞的增强机理。研究表明，平面压缩载荷作用下，单胞内部填充泡沫不仅可以提高单胞的承载能力，同时也能提升其比吸能率。泡沫材料将内凹负泊松比单胞的胞壁连为一体，对胞壁起到了较好的支撑作用。同时胞壁因宏观负泊松比效应而向内收缩，泡沫同时在水平和竖直方向受压缩，结构的比吸能率大幅提升。　　（2）内凹负泊松比蜂窝结构平面压缩特性研究。运用准静态压缩试验、数值模拟及简化解析方法，开展了内凹负泊松比蜂窝结构平面压缩特性研究。在准静态平面压缩载荷作用下，内凹负泊松比蜂窝结构呈现明显的宏观负泊松比变形特性。大变形条件下，胞壁因负泊松比效应而向内收缩，使泡沫在水平和竖直方向同时受压缩，泡沫填充内凹负泊松比蜂窝结构的比吸能率大幅提升。基于刚塑性假定建立内凹负泊松比单胞受压承载的简化解析评估方法，并将之推广至多胞阵列的蜂窝结构，得到用于计算内凹负泊松比蜂窝结构平台应力及等效泊松比的简化解析方法，可用于内凹负泊松蜂窝结构承载及吸能能力的快速评估。　　（3）内凹负泊松比蜂窝结构的低速冲击响应特性研究。落锤冲击试验和有限元模拟结果表明，内凹负泊松比蜂窝结构在冲击载荷下的变形模式主要是冲击位置下方的胞元结构呈现逐层变形、收缩及扭曲变形。泡沫材料对内凹负泊松比蜂窝结构有较好的增强作用，使得胞壁结构在冲击作用下呈现侧向弯曲、向内收缩及剪切的变形模式，从而提高了结构的抗冲击刚度及抗冲击吸能能力。当冲头直径与蜂窝结构单胞的宽度比值大于1时，蜂窝结构将避免过早断裂失效，更多的胞元结构参与变形，结构整体抗冲击承载及吸能能力增强。　　（4）内凹负泊松比蜂窝舷侧结构抗碰撞性能研究。根据传统双壳舷侧结构的结构特点，将其设计为内凹负泊松比蜂窝舷侧结构形式，分析其在刚性球鼻艏撞击下的抗碰撞吸能特性。当外壳板凹陷并断裂之后，均匀地分布在舷间空间内部的蜂窝结构仍能仍产生塑性铰并参与变形吸能，避免了外壳板撕裂引起的撞击力突然下降和吸能降低；在撞头撞击下，内凹负泊松比蜂窝结构局部的蜂窝组织产生负泊松比变形模式，使得填充的泡沫材料在水平方向和垂直方向同时受压缩，进一步提升了结构的承载能力和吸能水平。与传统双壳舷侧结构相比，无填充的内凹负泊松比蜂窝舷侧结构的比吸能率SEA提高约49%，泡沫填充内凹负泊松比蜂窝舷侧结构的比吸能率提高约63%。在几何构型不变的前提下，增大内凹蜂窝结构的胞壁厚度可以增大结构的承载能力和吸能水平，但对结构的比吸能率影响较小；增大蜂窝结构的单胞阵列数量，可使得结构受撞击时内部的塑性铰数量增多，从而整体上提高结构的撞击力及比吸能率水平。　　论文提出了一种“单层成型、逐层堆叠、泡沫填充”的增强型二维内凹负泊松比蜂窝结构构型，研究了其在压缩、冲击等多种载荷作用下的变形、损伤与能量吸收特性；基于刚塑性假定，利用能量法建立了内凹负泊松比蜂窝结构受压的平台应力及宏观泊松比简化解析计算方法；开展了基于泡沫填充内凹负泊松蜂窝的舷侧耐撞结构工程应用研究，以船舶双层舷侧结构为对象，提出了一种适应双层舷间空间的新型泡沫填充内凹负泊松比舷侧防护结构，揭示了该新型防护结构受撞击的力响应、吸能及结构变形破坏机理。本文的研究内容为新型复合结构构型在舷侧耐撞结构中的推广应用奠定了理论基础，为船舶结构安全性的提升提供技术支撑，同时也对负泊松比结构在其他工程学科的应用具有促进意义。
作者：	郁荣
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	刘敬喜
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021