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船舶负刚度超材料与结构的设计方法和性能研究

任晨辉  
【摘要】:随着船舶与海洋结构物向深海和极地冰区不断延伸,所面临的极端载荷与复杂环境对其安全性提出了更高的要求。以往的设计方法与产品形式面临极大挑战,必须加大创新的力度,而船用新材料开发和新型结构设计方法是创新的重要内容。另一方面,当前船舶轻量化、绿色化、智能化的发展趋势使得新型材料与结构的应用具有广阔前景,具有强可设计性和超常力学性能的“超材料”成为船舶科技领域研究的重点。其中,负刚度超材料具有优越的抗冲击性能,与其他超材料通过塑性变形吸收能量不同,负刚度超材料在外载荷作用下发生弹性范围内的逐层屈曲,因此实现了可重复的抗冲击吸能效用。本文围绕负刚度超材料与负刚度超材料结构的设计理论与分析方法开展深入研究,针对负刚度结构在船海工程中的应用进行了探索。在负刚度超材料设计中,借鉴晶体学中内部结构周期性理论,提出了负刚度超材料的布拉菲点阵设计方法,据此系统地设计了不同的多维多向负刚度超材料胞元构型;从二维和三维负刚度超材料构型出发,设计了平面和空间的负刚度及负泊松比“双负”类超材料;将负刚度超材料胞元构型扩展到宏观尺度,设计了负刚度超材料梁与负刚度超材料圆柱壳,分别研究其抗冲击性能和隔声性能;针对船舶的隔振与抗冲击问题,探索将超材料理论研究成果进行实际应用,设计新型超材料船体结构与装置。论文主要内容如下:(1)提出了负刚度超材料的布拉菲点阵设计方法。根据中点受压余弦形曲梁的负刚度效应,对其力学特性进行了参数分析,利用含余弦形曲梁的负刚度微结构作为胞元,基于“负刚度超材料的布拉菲点阵设计方法”设计出多维多向负刚度超材料构型。所设计的负刚度超材料涵盖二维单向、二维双向、二维三向、三维三向、三维四向和三维六向等多种,丰富了负刚度超材料的类型。(2)研究了单向、双向正交、三向正交负刚度超材料的准静态和冲击动力学特性。利用3D打印技术制备超材料试件,设计了准静态和冲击动力学试验,对数值计算结果进行验证。研究结果表明,所设计单向均匀负刚度超材料具有一般负刚度超材料的力学性质;单向梯度负刚度超材料则与均匀超材料存在一定差异,例如屈曲临界力呈增长趋势、卸载时胞元层的回复顺序与加载时的屈曲顺序无关、可以吸收更多的冲击能量等,力学试验很好地验证了数值计算结果;双向正交负刚度超材料除具备单向负刚度超材料的基本特点外,两个轴上的力学行为存在一定的耦合现象,即发生胞元的周期性旋转;三向正交负刚度超材料不同方向的力学行为则具有较好的独立性。(3)分别设计了二维和三维负刚度负泊松比的“双负”超材料,以增量泊松比与增量等效弹性模量为指标,分析其几何参数对于力学特性的影响,研究该超材料在冲击载荷作用下的力学行为,通过双负超材料准静态力学试验进行验证。研究结果表明,所设计的“双负”超材料的负刚度和负泊松比效应明显,具有设计性强、质量轻、便于制造等特点;胞元内倾斜曲梁与水平轴夹角决定了该超材料的几何构型,对泊松比的影响较大;胞元内曲梁厚度则可以有效调节该超材料的刚度,对其抗冲击性能影响较大,数值计算得到的完全受压时的泊松比值与试验结果吻合得很好;所设计的三维双负超材料在垂直于受压方向的平面内两个正交轴上呈现独立的负泊松比效应,可分别设计其泊松比值。(4)基于负刚度胞元设计了宏观尺度负刚度超材料梁,研究分段长度与板厚对于梁静力和动力学性能的影响。建立了基于代理模型的优化流程寻求其抗冲击性能的最优设计。研究结果表明,负刚度超材料梁在面板中部受压时的力-位移曲线呈折线形,改变面板和中间层的厚度以及余弦形曲板分段的长度会影梁的局部刚度以及相应的屈曲位移或力阈值,并改变曲板层的屈曲顺序;根据冲击载荷强度的不同,梁的不同部位主导其抗冲击吸能能力,应变能的最大部分存储在四层余弦形弯曲薄板中;中部曲板分段较短且靠近梁上表面的隔板厚度明显大于其余隔板时,负刚度超材料梁具有更好的抗冲击性能。(5)设计了可承受大变形的多功能负刚度超材料圆柱壳,研究其准静态大变形行为和线性小变形下隔声性能。分析了胞元内曲梁厚度和质量块质量对于圆柱壳隔声性能的影响,并以频段内声传递损失为目标对圆柱壳构型进行优化设计。研究结果表明,在受径向压缩载荷时,该超材料圆柱壳具备屈曲型负刚度结构的典型特征,适用于抗冲击缓冲;与具有相同尺寸和重量的常规蜂窝超材料夹芯圆柱壳相比,负刚度超材料圆柱壳在200 Hz以上频率具有更高的声传递损失;可以通过改变周向曲梁和径向曲梁厚度、在胞元中心空腔内置入质量块等方法提高圆柱壳的隔声性能;针对特定频段进行参数优化可大幅提高负刚度超材料圆柱壳的平均声传递损失,因此具有很强的可设计性。(6)探索负刚度超材料及结构在船舶结构减振抗冲击中的应用。设计了一种多层负刚度超材料抗冲击基座,分析在板架冲击载荷作用下的结构响应和冲击隔离性能;提出余弦形非线性隔振器,分别用谐波平衡法和龙格库塔法求其振动响应,分析几何参数对振动位移传递率和力传递率的影响。设计了一种由橡胶板内嵌钢质负刚度超材料的新型抗冲击船底结构,分析船体剖面构件在砰击载荷作用下的响应,与原船体模型进行对比。研究结果表明,所设计的负刚度超材料基座的冲击隔离系数非常小,加速度隔离系数在0.02~0.04之间,速度隔离系数在0.2~0.3之间,抗冲击效果显著;余弦形非线性隔振器结构简单,通过设计其几何参数即可实现不同的隔振性能;添加负刚度超材料抗冲击船底结构后,剖面内双层底区域的单元应力约为原模型的70%,该抗冲击结构形式具备优良的缓冲吸能特性,具有实用意义,可为船舶抗冲击结构的设计提供参考。


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