艦船復合材料上層建筑連接結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究.pdf

1、復合材料憑借其優(yōu)良的性能特征在船舶領(lǐng)域得到越來越多的應用，為艦船輕量化、隱身、防腐等性能的提高帶來了新的可能。然而，復合材料船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式、力學特性與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)有很大不同。尤其是不同材料之間的連接結(jié)構(gòu)，其性能特征直接關(guān)系到整個船體結(jié)構(gòu)的安全。由于復合材料連接結(jié)構(gòu)的承載特性和損傷機理較為復雜，在船舶領(lǐng)域的研究尚不完善。本文重點研究復合材料上層建筑的連接結(jié)構(gòu)，針對船舶要求設(shè)計不同形式的輕量化連接結(jié)構(gòu)，提出了一種綜合改進方法用于復合材料

2、膠接結(jié)構(gòu)的力學性能分析。通過與力學試驗和解析方法進行對比分析，研究膠接連接結(jié)構(gòu)的應力特性、極限承載、失效模式和強度響應參數(shù)，在證明本文方法有效的同時為復合材料船舶的連接設(shè)計、輕量化設(shè)計提供支撐。本文主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）綜述復合材料在船舶領(lǐng)域的應用研究現(xiàn)狀和研究熱點，分析復合材料連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點、力學特性以及強度影響因素等，確定本文的研究目標和研究內(nèi)容。
　　（2）針對適用于復合材料結(jié)構(gòu)的輕量化膠接連接展開研究，對

3、比研究解析分析和有限元方法，提出本文的綜合改進方法—CFP方法（Comprehensively improved method）。該方法主要包括理論模型，強度準則和退化方案三個部分。通過研究理論模型和強度準則，在集成傳統(tǒng)強度判據(jù)優(yōu)勢特征的同時，將內(nèi)聚力模型引入不同材料的交界處改善膠層界面的力和位移關(guān)系，形成綜合強度準則用于不同材料的失效判定；研究損傷退化理論，針對多材料混合膠接結(jié)構(gòu)，結(jié)合力學試驗，給出改進的損傷-破壞準則；設(shè)計 CFP方

4、法的計算分析流程并開發(fā)對應程序，用于復合材料膠接結(jié)構(gòu)的力學性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
　?。?）研究金屬材料之間、復合材料之間以及金屬與復合材料之間的基礎(chǔ)單搭接膠接結(jié)構(gòu)，通過與解析分析和力學試驗進行對比，證明了本文CFP方法在有限元應用中的有效性。研究復合材料單搭接膠接接頭的應力特性，總結(jié)單搭接長度、膠層厚度、被粘物厚度、端部形狀以及膠層間隙等參數(shù)對接頭強度的影響規(guī)律。
　?。?）應用輕質(zhì)復合材料夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計不同形式的T形連接

5、，用于船體艙壁（或艙壁與甲板、板材與加強筋）之間的連接位置。通過二維CFP仿真分析和力學試驗，進行極限承載預報，仿真結(jié)果與試驗值相比誤差較小。引入用于系統(tǒng)分析和綜合決策評價的AHP方法進行設(shè)計方案的尋優(yōu)評估，獲得最佳 T形連接形式。研究其結(jié)構(gòu)響應參數(shù)，獲得連接區(qū)的幾何尺寸和材料特性對T形連接的結(jié)構(gòu)強度具有重要影響。
　　（5）針對復合材料上層建筑和鋼質(zhì)主船體之間的連接問題，設(shè)計多種混合y形連接結(jié)構(gòu)。通過三維CFP方法模擬和力學試驗

6、，研究y形連接的失效模式和承載特征，模擬結(jié)果與試驗現(xiàn)象吻合較好。權(quán)衡初始失效、極限承載、最大位移、重量和成型工藝等評估準則，確定y形連接的最佳設(shè)計方案。提取蒙皮、夾芯、膠層等關(guān)鍵路徑的應力場特性，系統(tǒng)分析y形連接的受力特征，進而研究其強度響應參數(shù)，總結(jié)材料特性、構(gòu)件尺寸以及局部缺陷等因素對連接結(jié)構(gòu)的重量和極限承載的影響規(guī)律，為復合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供變量參數(shù)。
　?。?）針對艦船通用上層建筑，以復合材料T形連接和y形連接作為結(jié)構(gòu)