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原文传递夹芯复合材料上层建筑力学特性研究

论文题名：	夹芯复合材料上层建筑力学特性研究
关键词：	船舶工程;上层建筑;夹芯复合材料;力学响应;总纵弯曲;双梁理论
摘要：	复合材料作为新型功能/结构材料，其在上层建筑中的广泛应用是船舶实现轻量化的必要举措。因此，复合材料上层建筑结构在总纵弯曲作用下的应力应变响应规律，主船体与上层建筑之间相互作用的作用机理，上层建筑参与总纵弯曲的程度是船舶与海洋工程中非常重要的研究课题。本文针对夹芯复合材料上层建筑结构，以一典型内河客旅游船为研究对象，进行了不同工况下的力学响应研究，探索了不同因素对上层建筑参与总纵弯曲特性的影响，并对双梁理论公式进行了修正。本文主要工作成果如下：　　（1）借助一体化夹芯复合材料上层建筑舰船试验，验证了所用数值仿真方法的可靠性；并以一艘夹芯复合材料上层建筑客船为研究对象，通过探讨不同工况下客船有限元模型的应力响应，揭示了上层建筑在总纵弯曲下的力学响应特点及应力应变分布规律，结果表明：在总纵弯曲作用下，上层建筑中部参与总纵弯曲程度较大，与主船体弯曲变形的一致性较高，船体甲板纵向应力沿船宽方向呈抛物线式分布。主甲板纵向应力在船舯处达到最大，然后随着与船舯处距离不断增大，纵向应力值逐渐减小，表现为“负剪力滞”现象；上层建筑各甲板纵向应力沿船宽方向分布相反，为“正剪力滞”现象。　　（2）针对夹芯复合材料上层建筑客船模型参与总纵弯曲的力学响应问题，探讨了上层建筑长度、层数以及建造材料等因素对上层建筑在船体总纵弯曲作用下的应力分布状态的影响，并评估了各模型上层建筑的有效度，结果表明：上层建筑侧壁下缘处剪切应力沿船长方向分布曲线在船舯剖面处呈旋转对称分布，而垂向应力的分布曲线则表现为镜像对称分布。此外，上层建筑长度的缩短、层数的增加都会导致上层建筑参与总纵弯曲程度减小；当上层建筑长度占船长比例超过60%时，可近似认为上层建筑已完全参与总纵弯曲；上层建筑长度等于船长时，根据有效度定义，钢质上层建筑此时有效度可认为是100%，而夹芯复合材料上层建筑有效度仅为18.43%，说明材料对上建有效度有着重大的影响。　　（3）针对双梁理论对于短上层建筑总纵弯曲应力计算结果精度不够的情况，通过对不同长度上层建筑船体模型主船体舷侧上缘总纵弯曲应力数值仿真结果进行曲线拟合，提出了双梁理论的修正公式，即在原有理论公式基础上增加一应力修正项Kσ0，其中无量纲常数K的形式为指数函数形式。通过对比理论计算值与数值仿真值发现：使用原双梁理论公式，当上层建筑为夹芯复合材料时，理论计算值与数值仿真值相对误差最大为-16.8%，当上层建筑材料为钢材时，相对误差最大为-72.7%。而采用本文修正理论公式进行计算，所得结果与数值仿真结果较为一致，整体计算相对误差不超过2%，大为提高了计算精度。
作者：	史云泽
专业：	船舶与海洋工程
导师：	严仁军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022