海工复合材料及防撞结构耐冲击性多尺度模拟

发布时间：2017-08-28 21:03

  本文关键词：海工复合材料及防撞结构耐冲击性多尺度模拟

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【摘要】：复合材料的发展可以追溯至1960年，因其具有质量轻、比刚度和比强度高、抗疲劳性优异以及耐腐蚀等特性，使得纤维增强复合材料的开发应用从此成为一项迅猛发展的科学技术。时至今日，复合材料已经广泛应用于电子信息、建筑、交通、航空以及军事等领域，其在船舶与海洋结构物中的应用也越来越广泛，已经成为船舶与海洋结构物制造中的重要材料，如船体、上层建筑、复合材料螺旋桨以及海上风力发电叶片等。因其在应用方面具有广阔的拓展空间，复合材料在船舶和海洋结构物中的应用也是众多国内外学者研究的热点课题之一。但是复合材料也有冲击敏感性等缺点，为了确保复合材料及其结构物能够在复杂海洋环境中安全使用，必须考虑其耐冲击性。 本文试图结合复合材料细观力学相关原理，探究运用细观力学分析复合材料本构特性的方法，进而基于损伤力学，考虑复合材料纤维与基体的界面层缺陷，计算其横向拉伸强度并与实验值作比较，并讨论应变率对计算的影响。接着运用复合材料宏观力学以及断裂力学相关原理，讨论复合材料的耐冲击属性以及纤维方向，叠层顺序，层合板试件形状，冲头形状以及冲击能量等参数对复合材料低速冲击试验的影响并得出一般性规律。在讨论复合材料本构特性以后，进而着眼于工程应用，以防撞结构为研究对象，，用有限元方法定性分析防撞结构的防撞机理，并校核现有钢质防撞结构的有效性，最后根据校核结果，提出结构优化方案和材料优化方案。
【关键词】：复合材料 细观力学 有限元 弹性特性 界面特性 低速冲击 防撞结构
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U668.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 课题背景10-12
• 1.1.1 复合材料简介10-11
• 1.1.2 海洋环境对结构物的力学作用11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 复合材料界面特性研究进展13
• 1.2.2 复合材料低速冲击研究进展13-15
• 1.2.3 防撞结构研究进展15-16
• 1.3 本课题研究目的与意义16-17
• 1.3.1 研究目的16-17
• 1.3.2 研究意义17
• 1.4 课题研究的主要工作及思路17-18
• 1.4.1 单向复合材料细观本构特性模拟17
• 1.4.2 复合材料层合板低速冲击多尺度模拟17-18
• 1.4.3 大桥防撞结构优化分析18
• 1.5 本章小结18-20
• 第二章 理论基础20-28
• 2.1 引言20
• 2.2 复合材料宏观力学简述20-21
• 2.3 复合材料细观力学简述21-23
• 2.4 单层板损伤理论23-25
• 2.4.1 损伤起始准则23
• 2.4.2 损伤演化准则23-25
• 2.5 层合板分层理论25-26
• 2.6 本章小结26-28
• 第三章 单向复合材料细观本构特性模拟28-36
• 3.1 单向增强纤维复合材料刚度数值模拟28-31
• 3.1.1 模型及边界条件28-29
• 3.1.2 有限元模拟29
• 3.1.3 结果分析29-31
• 3.2 单向增强纤维复合材料横向拉伸强度数值模拟31-35
• 3.2.1 模型及边界条件31-32
• 3.2.2 有限元模拟32
• 3.2.3 结果分析32-33
• 3.2.4 RVE 横向拉伸本构数值模拟适用范围讨论33-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第四章 复合材料层合板低速冲击多尺度模拟36-62
• 4.1 单元类型及材料属性36-38
• 4.1.1 单元类型36
• 4.1.2 材料属性36-38
• 4.2 复合材料层合板低速冲击模拟可靠性分析38-47
• 4.2.1 碳纤维/环氧层合板低速冲击模拟及其实验对比39-42
• 4.2.2 石墨/环氧复合材料低速冲击模拟及其实验对比42-45
• 4.2.3 碳纤维/环氧(AS4/8552)层合板低速冲击模拟及其实验对比45-47
• 4.3 冲头及试件形状对层合板低速冲击结果的影响47-52
• 4.3.1 材料选择及层合板设计47-48
• 4.3.2 结果分析48-52
• 4.4 层板铺层角度对层合板低速冲击结果的影响52-56
• 4.4.1 材料选择及层合板设计52-53
• 4.4.2 结果分析53-56
• 4.5 简化模拟方法及误差分析56-60
• 4.5.1 材料选择及层合板设计56-57
• 4.5.2 结果分析57-60
• 4.6 本章小结60-62
• 第五章 大桥防撞结构优化分析62-82
• 5.1 概念设计及工况选择62-67
• 5.1.1 防撞结构形式62-65
• 5.1.2 工况及边界条件65-67
• 5.2 有限元模拟67-69
• 5.2.1 单元类型及模拟流程67
• 5.2.2 材料属性67-69
• 5.3 结果与分析69-81
• 5.3.1 初始方案防撞结构有效性校核69-71
• 5.3.2 结构优化方案71-78
• 5.3.3 材料优化方案78-81
• 5.4 本章小结81-82
• 第六章 结论与展望82-84
• 6.1 主要结论82-83
• 6.2 不足与展望83-84
• 参考文献84-92
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果92-93
• 致谢93-94
• 答辩委员会对论文的评定意见94

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 王自力,顾永宁;船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究[J];爆炸与冲击;2001年01期

2 王自力,顾永宁,胡志强;被撞船刚体运动响应的滞后特性(英文)[J];船舶力学;2001年06期

3 胡志强,崔维成;船舶碰撞机理与耐撞性结构设计研究综述[J];船舶力学;2005年02期

4 骆寒冰;徐慧;余建星;万正权;;舰船砰击载荷及结构动响应研究综述[J];船舶力学;2010年04期

5 周红兵;梅志远;;多层复合舰用装甲结构抗高速破片特性比较研究[J];材料开发与应用;2011年04期

6 刘建成,顾永宁;基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真[J];工程力学;2003年05期

7 胡志强,顾永宁,高震,李雅宁;基于非线性数值模拟的船桥碰撞力快速估算[J];工程力学;2005年03期

本文编号：749455