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复合材料的多平面加强柱壳结构研究

姜舜  
【摘要】:随着陆地资源的不断开采与消耗,人类对于资源的需求却在迅猛增长,海洋资源越来越受到各国的重视,从近海到远海,从浅海到深海,人们认识的不断深入,更多的深海探测潜水器也应运而生,作为水下科学考察、资源探测和开发的重要运载工具扮演着不可或缺的角色。耐压壳结构是潜水器中重要的组成部分,其性能直接影响到潜水器的整体性能,以往的单一的结构形式、传统材料的耐压壳已经不能满足工程作业需求。因此,研究新型结构形式和新材料的应用,对提高潜水器的工作范围,降低结构本身重量,完善耐压潜水器结构设计具有重要的意义。本文以多平面加强柱壳这一新型结构形式为基础,研究复合材料铺设条件下的结构响应。 首先,从多平面加强柱壳的基本几何结构形式出发,介绍了多平面加强柱壳机构的组成,分析了传统金属材料结构的稳定性,还比较了多平面加强柱壳与圆柱壳、环肋圆柱壳的缺陷敏感性。计算结果表明,由于多平面加强柱壳的特殊结构形式,该结构抵抗屈曲的能力大幅度提高,通过有限元计算比较新型多平面加强柱壳结构受初始缺陷对影响也相对较小。然而,各向同性材料的多平面加强柱壳也有自身的缺陷。 基于复合材料优越的方向可设计性,本文从复合材料基本刚度理论出发,利用有限元软件分别分析了不同铺设方式下新型结构的特征值屈曲,得到了结构的极限下潜深度,同时也讨论了复合材料弹性模量对于屈曲值的影响,证明了可以通过铺设方式的变化提高结构的抗失稳能力。 新型结构的强度也是衡量耐压潜器的重要方面,根据复合材料的强度多种强度准则,选择选择了最大强度失效准则和Tsai-Wu强度失效准则进行了结构强度计算,同时根据结构特点简化了Tsai-Hill失效准则。通过计算发现,在相当的强度范围内,复合材料使结构重量明显降低,为更多设备的布置提供了条件。 最后,基于轻金属和复合材料两者的各自优势和材料特点,分析了纤维金属混杂层合板的拉伸强度,有限元能够很好的模拟纤维金属混杂层合板的拉伸强度特征,并以铺设方式,纤维层角度、金属层厚度为参数,讨论了混杂层合板的影响因素,为探索新型材料在复杂大型结构的应用提供了有益的数值参考。


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