复合材料船体低速冲击损伤研究

发布时间：2017-09-18 03:25

  本文关键词：复合材料船体低速冲击损伤研究

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【摘要】：复合材料船艇具有航速快、稳性好、抗风能力强、节能环保等诸多优势，广泛应用于渔船、游艇、猎扫雷艇、护卫舰等军用和民用工业。然而复合材料（Fiber Reinforced Plastics，简称FRP）结构在厚度方向上强度较弱，特别是层间粘接层的强度更低。因此复合材料船艇在受到重物跌落、舰船靠岸及舰艇间碰撞等低速碰撞作用时，易产生肉眼观察不到的各种内部损伤。当这种损伤达到一定程度时就会导致船艇出现裂痕，甚至会断裂沉没。故低速冲击对复合材料船艇的安全构成了极大的威胁。 本文结合断裂力学、损伤力学及FRP失效准则，建立了FRP层合结构低速冲击损伤模型，分析了复合材料低速冲击损伤机理，探究了损伤规律。然后针对不同类型的复合材料船体舱段结构进行了低速冲击响应分析。最终通过优化对比分析，确定复合材料船体抗冲击设计方案，为今后的复合材料船艇抗冲击设计提供了指导。 首先基于断裂力学和粘接理论，提出采用一种新的粘接单元模型。该模型使用了复合材料Chang-Chang破坏准则和刚度退化准则，既能模拟层内损伤也能模拟层间分层。利用该模型分析了复合材料低速冲击损伤机理。主要从空间曲度、冲击能量、铺层、边界条件等方面研究了复合材料平板、壳体、壳体板架的低速冲击损伤失效。对比研究了壳体与平板及T型加筋壳与夹层结构对冲击损伤因素的不同响应。 其次，提出采用二维壳单元模拟真实的帽型材，，实体单元模拟夹层结构的方法，研究了复合材料船艇常用单向帽型加筋板架、双向帽型加筋板架及夹层结构抗冲击特性。对比分析了外板与骨材在低速冲击中所起到的作用规律，同时对夹层结构芯材的抗冲击损伤性能进行了详细分析。 最后，对复合材料船体舱段抗冲击性能进行了研究：从骨架结构形式、骨材结构尺寸、外板厚度等方面统计比较并作出优化，得出抗冲击设计方案，为今后的船艇抗冲击设计提供了参考。
【关键词】：复合材料 低速冲击损伤 数值仿真 粘接元 船体舱段优化
【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】：2014
【分类号】：U674.93;U661.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题来源9
• 1.2 课题研究目的和意义9-10
• 1.3 国内外研究现状10-14
• 1.3.1 FRP 低速冲击损伤理论研究10-11
• 1.3.2 FRP 低速冲击损伤实验研究11-12
• 1.3.3 FRP 低速冲击损伤数值模拟研究12-13
• 1.3.4 FRP 船体低速冲击损伤研究13-14
• 1.4 本文主要研究内容14-15
• 第2章 复合材料层合板低速冲击损伤研究15-24
• 2.1 FRP 层合结构本构模型15-18
• 2.2 FRP 层合板理论18
• 2.3 FRP 失效准则与性能退化18-20
• 2.4 FRP 层合板冲击损伤模式及模型实现20-22
• 2.4.1 层内损伤起始与拓展原理20-21
• 2.4.2 层间损伤失效与粘接原理21-22
• 2.5 FRP 层合板冲击动力学22-23
• 2.6 本章小结23-24
• 第3章 复合材料低速冲击损伤数值分析24-42
• 3.1 ANSYS/LS-DYNA 在 FRP 冲击分析中的应用24-25
• 3.2 有限元数值模型方案验证25-33
• 3.2.1 模型方案25-26
• 3.2.2 材料模型与边界条件26-27
• 3.2.3 接触算法27
• 3.2.4 方案验证比较27-33
• 3.3 复合材料板壳的冲击损伤因素研究33-40
• 3.3.1 不同曲率壳体与平板冲击研究33-34
• 3.3.2 不同冲击能量对壳体损伤影响研究34-35
• 3.3.3 不同铺层顺序对壳体与平板影响研究35-37
• 3.3.4 不同边界条件对壳体影响研究37-39
• 3.3.5 冲击方向对壳体影响研究39-40
• 3.4 本章小结40-42
• 第4章 复合材料船体板架抗冲击性能研究42-59
• 4.1 FRP 船体板架模型计算关键42-43
• 4.2 T 型加筋壳与夹层结构冲击损伤特性43-49
• 4.3 单向帽型加筋板架抗冲击特性49-53
• 4.4 双向帽型加筋板架抗冲击特性53-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第5章 复合材料船体舱段抗冲击性能研究59-71
• 5.1 FRP 舱段有限元模型59-60
• 5.2 结构对 FRP 舱段抗冲击性能影响研究60-66
• 5.3 冲击能量对 FRP 舱段抗冲击性能影响研究66-67
• 5.4 帽型加筋对 FRP 舱段抗冲击性能影响研究67-69
• 5.5 厚度对 FRP 舱段抗冲击性能影响研究69-70
• 5.6 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果78-80
• 致谢80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 梅志远,朱锡,刘润泉;船用加筋板架爆炸载荷下动态响应数值分析[J];爆炸与冲击;2004年01期

2 徐颖;温卫东;崔海坡;;复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法[J];材料科学与工程学报;2006年01期

3 朱炜W

本文编号：873121