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舰船复合材料上层建筑连接结构设计优化研究

李晓文  
【摘要】:复合材料凭借优良的性能特征在船舶领域得到越来越多的应用,为舰船轻量化、隐身、防腐等性能的提高带来了新的可能。然而,船用复合材料结构的设计方式、力学特性与传统金属结构有很大不同。尤其是不同材料之间的连接结构,其性能特征直接关系到整个船体结构的安全。鉴于复合材料连接结构的承载特性和损伤机理较为复杂,国内船舶领域的研究尚不完善。本文从舰船复合材料上层建筑的连接结构入手,针对船舶需求设计不同形式的轻量化连接方案,提出一种综合改进方法用于指导复合材料胶接结构的力学性能分析,研究胶接连接的应力特性、极限承载、失效模式和强度响应参数,进而完成复合材料连接方案的寻优评估,为舰船复合材料上层建筑的连接设计、轻量化设计等提供有益参考。主要研究内容有:(1)针对适用于复合材料结构的轻量化胶接连接展开研究,对比研究解析分析和有限元方法,提出本文综合改进方法(Comprehensively improved method)—CFP方法。该方法主要包括理论模型,强度准则和退化方案三个部分。通过研究理论模型和强度准则,在集成传统强度判据优势特征的同时,将内聚力模型引入不同材料的交界处改善胶层界面的力和位移关系,形成综合强度准则用于不同材料的失效判定;研究损伤退化理论,针对多材料混合胶接结构,结合力学试验,给出改进的损伤-破坏准则;设计CFP-方法的计算分析流程并开发对应程序,辅助复合材料胶接结构的力学性能分析和结构优化设计。(2)研究金属材料之间、复合材料之间以及金属与复合材料之间的基础单搭接胶接结构。通过与解析分析和力学试验进行分别对比,证明本文CFP方法在有限元应用中的有效性。研究复合材料单搭接胶接接头的应力特性,获得单搭接长度、胶层厚度、被粘物厚度、端部形状以及胶层间隙等参数对接头强度的影响规律。(3)应用轻质复合材料夹芯结构设计不同形式的T形连接,解决舰船上层建筑壁板、板筋之间的连接问题。通过二维CFP仿真分析和T形连接的压缩、剪切、拉伸试验,进行极限强度预报和承载特性分析。引入用于系统分析和综合决策评价的AHP方法进行多种设计方案的寻优评估,获得最佳T形连接形式。研究其结构响应参数,得出连接区的几何尺寸和材料特性是影响T形连接结构强度的主要参数。(4)针对复合材料上层建筑和钢质主船体之间的连接问题,设计多种y形混合连接结构。通过三维CFP方法模拟和力学试验,研究y形连接的失效模式和承载特征,模拟结果与试验现象吻合较好。权衡初始失效、极限承载、最大位移、重量和成型工艺等评估准则,确定y形连接的最佳设计方案。提取蒙皮、夹芯、胶层等关键路径的应力场特性,系统分析y形连接的受力特征,进而研究其强度响应参数,获得材料特性、构件尺寸和局部缺陷等因素对连接结构的重量以及极限承载的影响规律,为复合材料结构的优化设计提供变量参数。(5)基于复合材料T形连接和y形混合连接,进行舰船复合材料上建筑概念设计。研究舰船上建的受力形式及其在不同载荷作用下的力学特性,证明本文复合材料轻型上建设计的合理性。应用先进的优化算法和有限元工具,对复合材料上层建筑进行优化设计,完成多方案对比分析,获得优于传统钢质结构的最佳复合材料上层建筑设计方案。


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