夹层复合材料舱室结构的有限元分析及优化设计

发布时间：2017-09-10 16:30

  本文关键词：夹层复合材料舱室结构的有限元分析及优化设计

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【摘要】：先进复合材料具有优异的力学性能，且耐腐蚀性良好，因此在船舶行业具有巨大的应用前景。目前复合材料在我国大型船舶的应用尚处于初步研究阶段，远落后于国外。由于具有各向异性，复合材料的分析相比传统的钢材等各向同性材料要更为复杂。为充分发挥复合材料轻质高强的特征，设计者需要深入地理解复合材料力学以及失效机理。 目前船舶设计方法和力学理论已经比较完善，应用于飞机行业的复合材料夹层板理论也发展的很成熟，但是我国在将复合材料应用于船舶行业的研究还处于初步发展阶段，复合材料应用于船舶上的力学分析理论也还处在初级阶段，设计理论有待完善。应用有限元法于船体结构的分析可以非常详细地模拟出各部分的模型。在对模型离散化之后可以准确地计算出各部分的受力和变形情况。通过用膜、板、壳、杆、梁等单元来表现船体的主要结构部分的受力状态。 本文中以大型通用软件ANSYS为平台，对应用于某大型船只的夹层复合材料舱室结构及其与钢制船体连接部分进行了分析和优化设计。主要研究内容和结论如下： (1)对经典层合板理论、Reissener夹层板理论、Hoff夹层板理论、杜庆华夹层板理论进行比较，并选用Hoff夹层板理论为舱室结构分析中的理论模型。 (2)对舱室结构模型建立的关键技术进行了研究，通过APDL命令建立了更为接近实际情况的舱室结构模型，并依据复合材料船舶行业相关设计标准，建立舱室结构分析的基本思路。 (3)在长期载荷作用下，分析了加强筋中使用芯材一和芯材二时对结构整体性能的影响，计算结果表明加筋中蒙皮为主要承力构件，芯材性能对结构整体性能的影响很小。在短期载荷作用下，舱室结构各部分的强度满足要求。舱室结构中应力集中主要出现在板与板，板加筋与其他板加筋相交处。 (4)舱室结构固有频率较高，未与该船各个激励频率相同或相近；在舱室结构右壁上设置了开孔并对其进行分析，，开孔区域未出现应力集中，开孔形式为合理的。 (5)对在极限压力作用下的舱室结构与船体连接区域的螺栓进行校核，掌握了舱室结构连接区域的螺栓载荷分配规律，并依据计算结果对螺栓的分布进行优化。优化之后螺栓的个数从最初的378个减少到133个；在螺栓分布优化的基础上，使用子模型技术取出最危险位置螺栓所在区域进行分析，分析结果表明板的强度满足要求。
【关键词】：夹层复合材料 舱室结构 有限元分析 机械连接
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 FRP 应用于船舶的优点和缺点10-11
• 1.2 FRP 船舶发展概况11-15
• 1.2.1 商业性海洋产业12-13
• 1.2.2 娱乐性海洋产业13-14
• 1.2.3 海军用复合材料14-15
• 1.3 夹层复合材料概述15-19
• 1.3.1 夹层结构设计原则16
• 1.3.2 夹层结构的特点16-17
• 1.3.3 夹层板芯材种类17-18
• 1.3.4 夹层板分析理论18-19
• 1.4 有限元技术简介19-22
• 1.4.1 有限元的发展20
• 1.4.2 有限元方法20-21
• 1.4.3 复合材料有限元分析21-22
• 1.5 本文研究意义与内容22-24
• 第2章 舱室结构的有限元分析24-48
• 2.1 舱室模拟中的单元选择24-28
• 2.1.1 夹层单元 shell9124-27
• 2.1.2 BEAM189 单元27-28
• 2.1.3 梁壳单元的组合28
• 2.2 舱室模型28-30
• 2.3 舱室约束与载荷30-33
• 2.3.1 长期载荷作用下的安全系数取值32-33
• 2.3.2 短期载荷作用下的安全系数取值33
• 2.4 舱室结构强度分析结果33-44
• 2.4.1 飞溅水压作用下的分析结果33-38
• 2.4.2 极限压力作用下的分析结果38-40
• 2.4.3 动压作用下的分析结果40-42
• 2.4.4 舱室结构的模态分析42-44
• 2.5 右壁开设门孔结构的分析44-47
• 2.6 结论47-48
• 第3章 舱室结构机械连接分析48-67
• 3.1 复合材料连接形式48-49
• 3.1.1 胶结连接48-49
• 3.1.2 机械连接49
• 3.1.3 混合连接49
• 3.2 机械连接分析基础49-53
• 3.2.1 接头几何参数的选择50-51
• 3.2.2 单搭接接头载荷传递51-53
• 3.3 舱室结构螺栓连接分析53-62
• 3.3.1 屈服强度理论53-55
• 3.3.2 螺栓连接分析方法55
• 3.3.3 舱室连接部分螺栓分析55-62
• 3.4 孔边应力分析62-66
• 3.4.1 孔边作用力分析62-63
• 3.4.2 子模型技术63-64
• 3.4.3 有限元模型64-65
• 3.4.4 孔边应力分析65-66
• 3.5 结论66-67
• 第4章 结论与展望67-69
• 4.1 结论67-68
• 4.2 展望68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 马世勇,刘洪军;玻璃钢夹芯材料的应用[J];玻璃钢/复合材料;2001年04期

2 李明;李华彦;张莹;;现代玻璃钢游艇综述[J];船舶;2006年03期

3 杨贺;邓宗白;;硬夹心矩形夹层板的整体稳定性分析[J];固体力学学报;2013年03期

4 黄泽雄;;聚氨酯产业直面全球变暖的新挑战[J];国外塑料;2009年01期

5 瞿军;石军;陈正;冯上金;;某型导弹贮存架模态分析[J];海军航空工程学院学报;2008年04期

6 佘凯;许建;黄国兵;杨宇华;;复合材料螺栓连接结构数值模拟研究[J];中国舰船研究;2008年06期

7 鲁建霞;苟惠芳;;有限元法的基本思想与发展过程[J];机械管理开发;2009年02期

8 熊晓莉;袁光;;ANSYS中Beam189单元的局限性初探[J];山西建筑;2012年06期

9 顾纪清;;国外玻璃钢船建造技术的发展[J];造船技术;1987年11期

10 路红娟;;基于NASTRAN的装配体连接螺栓有限元分析[J];机械制造与自动化;2008年06期

本文编号：825398