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《华南理工大学》 2017年
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复合材料高速船砰击结构响应模拟及优化分析

陈彬  
【摘要】:复合材料具有比强度和比刚度高、重量轻、耐腐蚀等优点,目前已广泛应用于船舶与海洋工程领域,如船体、上层建筑、复合材料螺旋桨以及海上风力发电机叶片等。复合材料的开发与应用已成为海内外众多学者研究的热点课题之一。当船舶在高速航行时,自身会产生大幅度的垂荡与纵摇运动,船体底部会频繁的出水和入水,船体底部出水再入水时会受到明显的砰击载荷。复合材料船体在受到砰击载荷作用时,会以弹性变形和损伤破坏的形式吸收能量,尽管船体结构表面不出现损伤,但结构内部已经发生了脱粘、分层等损伤,成为结构破坏的潜在隐患。因此,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,必须对复合材料船体在砰击作用下的结构响应进行研究。光滑粒子水动力学(SPH)方法是一种无网格有限元方法。SPH方法以粒子为基本计算单元,各计算单元之间不需要建立固定的拓扑关系进行连接,因此SPH方法可有效避免有限元网格大变形与单元扭曲。目前SPH方法已广泛运用于入水砰击、液体晃荡以及高速冲击等领域。为研究复合材料船艇入水砰击这一复杂非线性问题,本文首次将SPH方法应用于复合材料船体砰击问题的研究中。本文首先采用光滑粒子水动力学(SPH)方法模拟海洋工程结构物的入水砰击过程,通过与实验对比验证了SPH方法模拟二维与三维结构物入水砰击问题的有效性,并讨论了不同SPH粒子特征长度对砰击问题计算精度的影响。其次,运用复合材料宏观力学以及Hashin损伤准则对复合材料层合板结构的低速冲击进行研究,验证了本文所用损伤准则的正确性,同时从层合板铺层顺序、冲头冲击位置及加筋层板结构型式等角度探究其对结构抗冲击性能的影响。最后,运用SPH方法与复合材料损伤准则,对复合材料船艇砰击问题进行研究。通过探究不同骨架形式、外板厚度以及骨材剖面特性对复合材料船艇抗砰击性能的影响,提出抗砰击结构优化方案,为今后复合材料船艇的抗砰击设计提供指导。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U661.4

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