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基于非线性有限元法的复合材料船体搜救艇冰区碰撞性能研究
| 论文题名： | 基于非线性有限元法的复合材料船体搜救艇冰区碰撞性能研究 |
| 关键词： | 搜救艇;船-冰碰撞;复合材料;层压板;低速冲击损伤 |
| 摘要： | 对于航行于冰区的非破冰船，船冰碰撞及其对船体造成的损伤不可忽视。目前复合材料船体与海冰碰撞的研究较少。本文旨在分析复合材料船体的海冰碰撞性能，基于非线性有限元方法，使用ABAQUS软件建立了复合材料层压板材料的搜救艇船体模型和海冰模型，对船冰碰撞的多种场景进行了数值仿真分析。 首先，以复合材料层压板作为研究对象，基于连续介质损伤理论，使用ABAQUS软件建立了低速冲击的有三维实体限元层压板模型，通过VUMAT用户子程序实现了以Chang-Chang失效准则和刚度渐进退化方法的材料损伤演化。并采用内聚力单元模拟层压板界面层的分层损伤。通过与文献中的实验结果进行对比，验证了该模型的有效性。利用该模型对复合材料层压板的低速冲击损伤影响因素的研究显示不同的铺层角度会影响材料的刚度，从而影响材料的力学特性。冲击接触面积越大，损伤面积越大，损伤程度越小。曲面板相较于平板具有更好的冲击性能，不同曲率的曲面板间的性能相近。 其次，本文建立了各向同性弹塑性失效冰材料模型和基于Hashin失效准则的弹脆性冰材料模型，并通过球形冰-刚性板的碰撞模拟，验证了冰材料的有效性。两种海冰材料的压力-面积曲线均满足使用要求。 然后分别建立了复合材料的帽型加筋板模型和复合材料的搜救艇船体分段模型，对不同法向和切向速度的多种碰撞场景进行了数值模拟，分析了加筋板模型的碰撞损伤情况。此外，还针对船体分段舷侧结构和海冰碰撞过程进行数值模拟，碰撞工况包括船-冰不同碰撞位置、海冰对船体的多次碰撞、海冰分别以不同的切向碰撞速度和不同的法向碰撞速度撞击船体。得到了船体的结构变形、复合材料纤维和基体的损伤情况、以及碰撞力和船体结构能量吸收情况。结果表明在复合材料船体碰撞中，在骨材加强区域，骨材（帽型加强筋）为主要吸能构件，占总吸收能50%以上。分析结果还显示复合材料船体的碰撞力随碰撞次数的增加逐渐降低，复合材料船体切向损伤沿船长分布，破坏区域呈点状分布。 |
| 作者： | 吴险锋 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 王文华;李志远 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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