船用复合材料夹层板力学性能研究

发布时间：2017-10-09 02:11

  本文关键词：船用复合材料夹层板力学性能研究

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【摘要】：随着舰船科技的发展,复合材料在船舶领域中得到了广泛的应用。船用复合材料夹层板具有耐腐蚀、无磁性、导热系数低、易于加工成型和可设计性好等优点。但复合材料夹层板的力学行为比较复杂,对其力学性能开展相关研究,有利于复合材料夹层结构在船体结构上的推广应用和优化设计,具有一定的理论价值和工程指导意义。本论文基于层合板理论,考虑船用夹层板的结构特性,对复合材料夹层结构的静力学和动力学问题进行了理论和数值仿真分析。建立了适用于复合材料夹层结构的力学模型并编程实现理论求解,在验证理论模型准确的基础上,分析了夹层结构弯曲特性、自由振动和动态响应及参数影响;并且基于有限元软件,对船用复合材料夹层板在外物冲击作用下的抗冲击性能进行了研究;并将复合材料夹层板应用于船体板架结构中,对复合材料船体板架结构的静力学问题进行了仿真分析。文中结论对新型复合夹层结构在船体中的应用和优化设计提供了依据和参考。具体工作主要有:(1)本文首先学习了经典夹层板理论,分别实现了Reissner夹层板理论和Hoff夹层板理论在复合材料夹层板的推广和应用。考虑复合材料夹层板的力学特性,在Sriniva建立的Zig-zag模型的基础上,推导实现了考虑面板剪切效应的一阶Zig-zag变形理论,给出了软、硬夹芯的两种力学求解模型;为了改善厚板的面内位移,本文在一阶Zig-zag理论基础上,建立了芯层基于三阶剪切变形理论的高阶Zig-zag理论模型,并根据Hamilton原理推导出其控制方程。(2)重点基于本文推导的Zig-zag理论模型的控制方程,采用MATLAB语言编程求解了复合材料夹层板静力弯曲问题,通过与文献结果对比验证几种理论对于静力学问题求解的有效性,在此基础上研究了夹层板设计参数(面芯厚度比、长宽比、模量比)对夹层板弯曲性能的影响。(3)基于推导的Zig-zag模型的控制方程,采用MATLAB语言编程求解了复合材料夹层板的自由振动问题,通过对比分析验证了本文推导模型的准确性,并对自由振动问题进行了参数影响分析;根据模型的运动方程,采用Newmark法求解复合材料夹层板在弹性变形阶段的横向动态响应,并讨论结构阻尼及芯层厚度对夹层结构动态响应的影响;最后基于LS-DYNA研究了外物冲击作用下的复合材料夹层板的抗冲击性能。(4)在船体结构中,板架的结构形式较为复杂,对复杂结构应用理论计算有时比较困难。为了进一步指导复合材料夹层板在船舶结构中的应用,对复合材料夹层板架结构进行了静态力学性能分析,同时讨论了筋材尺寸及面板铺层角度对结构性能影响。
【关键词】：复合材料夹层板 理论模型 弯曲 振动 响应分析
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 主要符号说明12-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势14-19
• 1.2.1 船用复合材料的应用现状14-16
• 1.2.2 夹层板理论研究现状16-19
• 1.3 本文主要工作和创新点19-21
• 1.3.1 本文主要工作19-20
• 1.3.2 本文的创新点20-21
• 第2章 复合材料层合板理论求解模型与分析21-29
• 2.1 复合材料层合板理论21-24
• 2.1.1 经典层合板理论（CLPT）21
• 2.1.2 一阶剪切变形理论（FSDT）21-23
• 2.1.3 高阶剪切变形理论（HSDTs）23-24
• 2.2 复合材料层合板的本构关系24-25
• 2.3 算例验证与分析25-28
• 2.3.1 层合板理论算例验证25-27
• 2.3.2 铺层方式对弯曲挠度的影响27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 船用复合材料夹层结构力学模型建立29-43
• 3.1 经典夹层板理论29-31
• 3.1.1 复合材料夹层板的Reissner理论求解模型30
• 3.1.2 复合材料夹层板的Hoff理论求解模型30-31
• 3.2 复合材料夹层板的一阶Zig-zag理论求解模型（FZZT）31-37
• 3.3 复合材料夹层板的高阶Zig-zag理论求解模型（HZZT）37-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第4章 船用复合材料夹层结构的静力学问题分析43-55
• 4.1 复合材料夹层板弯曲问题理论分析43-51
• 4.1.1 载荷三角级数形式43-44
• 4.1.2 边界条件44-46
• 4.1.3 复合材料夹层板理论模型验证46-51
• 4.2 复合材料夹层板参数对弯曲性能的影响51-54
• 4.2.1 面芯厚度比对弯曲挠度的影响51-52
• 4.2.2 夹层板长宽比对弯曲挠度的影响52-53
• 4.2.3 芯层弹性模量对弯曲挠度的影响53
• 4.2.4 面板弹性模量比对弯曲挠度的影响53-54
• 4.3 本章小结54-55
• 第5章 船用复合材料夹层结构的动力学问题分析55-73
• 5.1 复合材料夹层板自由振动理论分析55-60
• 5.1.1 复合材料夹层板理论模型验证55-58
• 5.1.2 芯层弹性模量对固有频率的影响58-59
• 5.1.3 芯层密度对夹层板固有频率的影响59-60
• 5.2 复合材料夹层板动力响应理论分析60-66
• 5.2.1 动力学微分方程数值方法简介60-61
• 5.2.2 复合材料夹层板理论模型动力学验证61-62
• 5.2.3 三角脉冲载荷动态响应分析62-65
• 5.2.4 阻尼比例系数对复合材料夹层板动力学性能的影响65-66
• 5.2.5 面芯厚度比对复合材料夹层板动力学性能的影响66
• 5.3 复合材料夹层板外物冲击问题数值仿真分析66-72
• 5.3.1 复合材料的强度失效判据66-67
• 5.3.2 复合材料夹层板有限元模型67-68
• 5.3.3 计算结果分析68-70
• 5.3.4 不同材料面板的吸能比较70-72
• 5.4 本章小结72-73
• 第6章 复合材料夹层板架静力性能数值仿真分析73-81
• 6.1 板架结构的静力仿真分析73-77
• 6.1.1 板架结构模型的建立73-75
• 6.1.2 计算结果分析75-77
• 6.2 复合材料板架参数研究与讨论77-80
• 6.2.1 筋材厚度对板架结构位移和应力的影响77
• 6.2.2 筋材高度对板架结构位移和应力的影响77-78
• 6.2.3 面板铺层方式对板架结构位移和应力的影响78-80
• 6.3 本章小结80-81
• 第7章 总结与展望81-85
• 7.1 论文主要工作81
• 7.2 论文主要结论81-82
• 7.3 论文工作展望82-85
• 参考文献85-88
• 附录 本文推导的一阶Zig-zag夹层板理论运动方程88-90
• 攻读学位期间发表的学术论文90-91
• 致谢91-92
• 详细摘要92-96

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本文编号：997564