【摘要】：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比剛度高,耐腐蝕及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),成為船舶上層建筑的理想結(jié)構(gòu)材料。隨著復(fù)合材料廣泛用于船舶結(jié)構(gòu)中,連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對(duì)拓寬船用復(fù)合材料的應(yīng)用范圍具有重要的工程意義。復(fù)合材料加筋?yuàn)A芯板作為船舶上層建筑基本的板架單元,由復(fù)合材料夾芯板和加強(qiáng)筋構(gòu)成。基于復(fù)合材料加筋?yuàn)A芯板在彎曲載荷下的受載工況和結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計(jì)出復(fù)合材料帽形接頭,采用非平面膠接方式對(duì)兩者進(jìn)行連接。利用截面轉(zhuǎn)換法和等效工程參數(shù)法對(duì)復(fù)合材料加筋?yuàn)A芯板的彎曲剛度進(jìn)行理論計(jì)算,基于其彎曲承載能力的設(shè)計(jì)要求初步設(shè)計(jì)出復(fù)合材料帽形接頭的幾何尺寸。復(fù)合材料帽形連接結(jié)構(gòu)包含平紋機(jī)織復(fù)合材料、聚氨乙烯(PVC)泡沫和環(huán)氧樹脂膠三種材料體系,連接形式及材料體系復(fù)雜,難以建立理論公式分析其損傷失效過程,本文通過數(shù)值仿真的方式對(duì)復(fù)合材料帽形結(jié)構(gòu)的彎曲承載性能進(jìn)行分析,模擬其變形、應(yīng)力及損傷演化過程。利用漸進(jìn)損傷模型模擬平紋機(jī)織復(fù)合材料的損傷起始、損傷演化和失效破壞的過程,分別采用修正Hashin準(zhǔn)則和Yeh準(zhǔn)則預(yù)測(cè)其面內(nèi)和面外損傷起始,采用冪函數(shù)的演化規(guī)律模擬其損傷擴(kuò)展和失效破壞,并編寫用戶子程序VUMAT。利用平紋機(jī)織復(fù)合材料開孔板拉伸試驗(yàn),驗(yàn)證漸進(jìn)損傷模型的合理性和可靠性。內(nèi)聚力模型和低密度泡沫模型分別用于模擬膠層和PVC芯材的失效破壞,引入不同材料的本構(gòu)關(guān)系和失效模型是為了得到更加精確的仿真結(jié)果,輔助復(fù)合材料帽形接頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立復(fù)合材料帽形接頭建立多目標(biāo)優(yōu)化模型,基于拉丁超立方的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法計(jì)算設(shè)計(jì)變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響因子大小,識(shí)別出不同優(yōu)化目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量。采用非支配排序遺傳算法求解復(fù)合材料帽型接頭的多目標(biāo)優(yōu)化模型,聯(lián)合Isight和Abaqus得到了多目標(biāo)優(yōu)化模型的帕累托最優(yōu)解集,并擬合得到帕累托前沿曲線,為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供評(píng)價(jià)依據(jù)。表明非支配排序遺傳算法分析復(fù)合材料連接接頭多目標(biāo)優(yōu)化問題的可行性和有效性,優(yōu)化后的復(fù)合材料帽形連接結(jié)構(gòu)在彎曲載荷下的比承載性能得到了顯著提升。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB33;U671
【圖文】：

[15]。圖1-1 瑞典復(fù)合制備的隱形船 Symge 及復(fù)合材料材料螺旋槳表1-1 船用復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)復(fù)合材料分類 應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 艦船殼體，隔板，電纜盒，艙門等聲學(xué)復(fù)合材料 聲納導(dǎo)流罩，船舵，隔聲起等阻尼復(fù)合材料 螺旋槳，管路系統(tǒng)等防護(hù)復(fù)合材料 指揮艙，燃油艙，彈藥艙等1.2.2 復(fù)合材料膠接連接的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀膠接連接因其具有操作簡(jiǎn)單、周期短及可連接異種材料等特點(diǎn)，已經(jīng)成為了復(fù)合材料連接的主要方式之一[16,17]。相比于機(jī)械連接，復(fù)合材料膠接連接具有載荷傳遞均勻、損傷容限高、抗疲勞性能及密封性能好，同時(shí)還避免了鉆孔引起的應(yīng)力集中

種基本破壞模式外，還會(huì)發(fā)生組合破壞，膠接連接發(fā)生何種破壞模式，與連接形式，連接幾何參數(shù)，復(fù)合材料臨近膠層區(qū)域的纖維方向以及載荷性質(zhì)有關(guān)。圖1-3 復(fù)合材料單搭接板膠接的失效模式[18]Yang 和 Pang[19,20]采用一階剪切理論分析彎曲和拉伸載荷下的單搭接復(fù)合材膠接接頭，首次對(duì)兩個(gè)復(fù)合材料層合板都采用經(jīng)典層合板理論分析，通過傅立葉變化和近似邊界條件推導(dǎo)出了理論解，理論求解的應(yīng)力分布與“ALGOR”有限元計(jì)算結(jié)果十分吻合。單搭接板由于其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單是最常見的膠接形式，然而，在膠層的末端存在剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力的應(yīng)力集中，為了提高單搭接的連接性能，提出了改變膠層[21,22]的及被膠接件的幾何參數(shù)[23,24]等措施減小應(yīng)力集中。Fitton[25]等人采用改變膠層模量的方法對(duì)膠接接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元仿真方法比較了不同區(qū)域膠層模量對(duì)剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力分布的影響，表明了變模量膠層能夠減小應(yīng)力（特別是剝離應(yīng)力）的大小，為接頭的優(yōu)化提供新的方向。Khalili[26]等人通過試驗(yàn)方式研究了在拉伸、彎曲、沖擊和疲勞載荷下的單搭接板膠接接頭的強(qiáng)度和破壞模式

主要有以下幾種連接方式：?jiǎn)未罱�、雙搭接、對(duì)接、斜面連接和階梯形連接等幾種形式。圖1-4 平面膠接的常見形式對(duì)于單搭接膠接接頭，研究發(fā)現(xiàn)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膠層的厚度增加導(dǎo)致膠接接頭的強(qiáng)度降低[27,28]，這是由于膠層厚度較小時(shí)容易控制膠層的質(zhì)量，摻雜較少的微孔洞、裂紋，同時(shí)降低膠層的界面應(yīng)力[29-31]。當(dāng)被膠接件很薄，連接強(qiáng)度足夠時(shí)，被膠接件發(fā)生拉伸（或拉彎）破壞；當(dāng)被膠接件較厚，但偏心力矩尚小時(shí)，易在膠層發(fā)生剪切破壞，當(dāng)被膠接件厚到一定程度，膠接連接長(zhǎng)度不夠時(shí)，在偏心力矩作用下，將發(fā)生剝離破壞。剝離破壞將使膠接連接的承載能力顯著下降，應(yīng)力求避免[32]。楊銀環(huán)[33]等人研究了復(fù)合材料單搭接板中膠層缺陷對(duì)接頭力學(xué)性能影響

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本文編號(hào)：2787590