弯曲载荷下复合材料帽形接头的设计及优化分析

发布时间：2020-08-09 21:39

【摘要】：纤维增强复合材料具有比强度、比刚度高,耐腐蚀及可设计性强等诸多优点,成为船舶上层建筑的理想结构材料。随着复合材料广泛用于船舶结构中,连接结构的设计及优化是复合材料结构设计中必不可少的关键环节,对拓宽船用复合材料的应用范围具有重要的工程意义。复合材料加筋夹芯板作为船舶上层建筑基本的板架单元,由复合材料夹芯板和加强筋构成。基于复合材料加筋夹芯板在弯曲载荷下的受载工况和结构形式,设计出复合材料帽形接头,采用非平面胶接方式对两者进行连接。利用截面转换法和等效工程参数法对复合材料加筋夹芯板的弯曲刚度进行理论计算,基于其弯曲承载能力的设计要求初步设计出复合材料帽形接头的几何尺寸。复合材料帽形连接结构包含平纹机织复合材料、聚氨乙烯(PVC)泡沫和环氧树脂胶三种材料体系,连接形式及材料体系复杂,难以建立理论公式分析其损伤失效过程,本文通过数值仿真的方式对复合材料帽形结构的弯曲承载性能进行分析,模拟其变形、应力及损伤演化过程。利用渐进损伤模型模拟平纹机织复合材料的损伤起始、损伤演化和失效破坏的过程,分别采用修正Hashin准则和Yeh准则预测其面内和面外损伤起始,采用幂函数的演化规律模拟其损伤扩展和失效破坏,并编写用户子程序VUMAT。利用平纹机织复合材料开孔板拉伸试验,验证渐进损伤模型的合理性和可靠性。内聚力模型和低密度泡沫模型分别用于模拟胶层和PVC芯材的失效破坏,引入不同材料的本构关系和失效模型是为了得到更加精确的仿真结果,辅助复合材料帽形接头的优化设计。建立复合材料帽形接头建立多目标优化模型,基于拉丁超立方的试验设计方法计算设计变量对优化目标的影响因子大小,识别出不同优化目标的关键设计变量。采用非支配排序遗传算法求解复合材料帽型接头的多目标优化模型,联合Isight和Abaqus得到了多目标优化模型的帕累托最优解集,并拟合得到帕累托前沿曲线,为优化设计提供评价依据。表明非支配排序遗传算法分析复合材料连接接头多目标优化问题的可行性和有效性,优化后的复合材料帽形连接结构在弯曲载荷下的比承载性能得到了显著提升。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;U671
【图文】：

[15]。图1-1 瑞典复合制备的隐形船 Symge 及复合材料材料螺旋桨表1-1 船用复合材料及结构复合材料分类 应用领域结构复合材料 舰船壳体，隔板，电缆盒，舱门等声学复合材料 声纳导流罩，船舵，隔声起等阻尼复合材料 螺旋桨，管路系统等防护复合材料 指挥舱，燃油舱，弹药舱等1.2.2 复合材料胶接连接的国内外研究现状胶接连接因其具有操作简单、周期短及可连接异种材料等特点，已经成为了复合材料连接的主要方式之一[16,17]。相比于机械连接，复合材料胶接连接具有载荷传递均匀、损伤容限高、抗疲劳性能及密封性能好，同时还避免了钻孔引起的应力集中

种基本破坏模式外，还会发生组合破坏，胶接连接发生何种破坏模式，与连接形式，连接几何参数，复合材料临近胶层区域的纤维方向以及载荷性质有关。图1-3 复合材料单搭接板胶接的失效模式[18]Yang 和 Pang[19,20]采用一阶剪切理论分析弯曲和拉伸载荷下的单搭接复合材胶接接头，首次对两个复合材料层合板都采用经典层合板理论分析，通过傅立叶变化和近似边界条件推导出了理论解，理论求解的应力分布与“ALGOR”有限元计算结果十分吻合。单搭接板由于其结构形式简单是最常见的胶接形式，然而，在胶层的末端存在剪应力和剥离应力的应力集中，为了提高单搭接的连接性能，提出了改变胶层[21,22]的及被胶接件的几何参数[23,24]等措施减小应力集中。Fitton[25]等人采用改变胶层模量的方法对胶接接头进行优化设计，利用有限元仿真方法比较了不同区域胶层模量对剪切应力和剥离应力分布的影响，表明了变模量胶层能够减小应力（特别是剥离应力）的大小，为接头的优化提供新的方向。Khalili[26]等人通过试验方式研究了在拉伸、弯曲、冲击和疲劳载荷下的单搭接板胶接接头的强度和破坏模式

主要有以下几种连接方式：单搭接、双搭接、对接、斜面连接和阶梯形连接等几种形式。图1-4 平面胶接的常见形式对于单搭接胶接接头，研究发现通过试验发现胶层的厚度增加导致胶接接头的强度降低[27,28]，这是由于胶层厚度较小时容易控制胶层的质量，掺杂较少的微孔洞、裂纹，同时降低胶层的界面应力[29-31]。当被胶接件很薄，连接强度足够时，被胶接件发生拉伸（或拉弯）破坏；当被胶接件较厚，但偏心力矩尚小时，易在胶层发生剪切破坏，当被胶接件厚到一定程度，胶接连接长度不够时，在偏心力矩作用下，将发生剥离破坏。剥离破坏将使胶接连接的承载能力显著下降，应力求避免[32]。杨银环[33]等人研究了复合材料单搭接板中胶层缺陷对接头力学性能影响

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本文编号：2787590