波紋夾層結(jié)構(gòu)是典型的二維周期夾層結(jié)構(gòu),具有制造工藝簡單、力學(xué)性能優(yōu)良的特點,廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船結(jié)構(gòu)等。波紋夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)常應(yīng)用于艦船的舷側(cè)、甲板以及上層建筑等位置,工作環(huán)境惡劣,易遭受碼頭撞擊、物體跌落沖擊以及漂浮物撞擊等多種形式的沖擊載荷,沖擊后易形成損傷,降低其力學(xué)性能。國外眾多學(xué)者開展了全金屬或者全復(fù)合材料波紋夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊及沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度研究,而對復(fù)合材料面板/金屬芯層混雜夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊及沖擊后剩余彎曲強(qiáng)度性能研究較少。本文分別制備了單一復(fù)合材料和混雜復(fù)合材料組成的層合板作為夾層結(jié)構(gòu)的上下面板、金屬波紋板作為芯材的混雜復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),采用實驗、理論分析和數(shù)值模擬方法對波紋芯材混雜夾層結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能、低速沖擊和沖擊后剩余彎曲承載性能開展研究,為其安全性評估提供理論基礎(chǔ),具有較大的工程意義和理論價值。全文主要包括以下內(nèi)容:首先,采用試驗與有限元模擬相結(jié)合的方法,研究了碳纖維增強(qiáng)樹脂基體層合板為面板、梯形波紋鋁合金為芯層的波紋夾層結(jié)構(gòu)的抗低速沖擊性能。制備碳纖維面板/鋁合金波紋芯層的波紋夾層結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行不同沖擊能量、不同沖擊位置的試驗研究,獲取沖擊變形吸能規(guī)律�；贏baqus軟件平臺,結(jié)合Hashin失效準(zhǔn)則及Yeh失效準(zhǔn)則,建立了波紋芯材混雜夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊的有限元數(shù)值模擬方法。通過有限元計算結(jié)果的反演,對波紋芯材混雜夾層結(jié)構(gòu)低速機(jī)理進(jìn)行了深入分析,獲取了其沖擊吸能及沖擊損傷規(guī)律。其次,采用試驗與有限元模擬相結(jié)合的方法,研究了芯層幾何構(gòu)型、芯層厚度、芯層材料和面板材料等因素對波紋芯材混雜夾層結(jié)構(gòu)沖擊沖擊性能的影響。通過有限元計算,分析了相同重量、相同單胞波長的五種不同幾何構(gòu)型芯層的夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊性能,獲取了芯層幾何構(gòu)型對夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊性能的影響規(guī)律。通過有限元計算及試驗方法,分析了不銹鋼芯層夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊性能,得出了芯層材料對夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊性能的影響規(guī)律。制備了以玻纖等六種低彈性模量、大斷裂應(yīng)變的纖維層合板為面板、以鋁合金梯形波紋為芯層的夾層結(jié)構(gòu)試樣,通過沖擊試驗,獲取了面板材料對夾層結(jié)構(gòu)的沖擊性能影響規(guī)律。再次,采用試驗與有限元模擬相結(jié)合的方法,進(jìn)行了波紋芯材混雜夾層結(jié)構(gòu)沖擊后剩余強(qiáng)度研究。制備了碳纖維層合板面板、鋁合金梯形波紋芯層的彎曲試樣,進(jìn)行不同能量、不同位置的低速沖擊,并進(jìn)行沖擊后三點彎曲試驗,獲取沖擊能量及位置對夾層結(jié)構(gòu)沖擊后的剩余強(qiáng)度的影響規(guī)律。制備了以玻纖等六種纖維層合板為面板、以鋁合金梯形波紋為芯層的彎曲試樣,進(jìn)行不同能量的低速沖擊及沖擊后三點彎曲試驗,通過結(jié)果比對分析,獲取面板材料對混雜夾層結(jié)構(gòu)沖擊后剩余彎曲強(qiáng)度的影響規(guī)律。最后,建立了波紋芯材混雜夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊響應(yīng)的近似計算方法。將低速沖擊問題簡化為兩自由度動力學(xué)問題進(jìn)行分析,得到了系統(tǒng)的二階非線性微分方程,根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)計算得到的局部剛度和整體剛度,結(jié)合初始邊界條件進(jìn)行了數(shù)值求解,給出的近似計算方法可以應(yīng)用于波紋芯材混雜夾層結(jié)構(gòu)的低速沖擊響應(yīng)快速預(yù)報。
【學(xué)位單位】：中國艦船研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U674.7
【部分圖文】：

中國艦船研究院博士學(xué)位論文第一章 緒論1.1 立題背景及研究動機(jī)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上組份材料所組成的新材料，由于它具有比強(qiáng)度高、比模量大等許多優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料的性能，在航空航天、建筑、交通、機(jī)械、化工設(shè)備和船舶等許多領(lǐng)域都得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用[1]。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)則是由兩個薄的“面板”與一種被稱作“夾芯”的厚度大、材質(zhì)輕的材料粘接而成。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的面板材料通常為堅固又具有較好強(qiáng)度的材料，如金屬或纖維復(fù)合材料，如圖 1-1（a）；復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的芯層材料則主要分為兩類：“細(xì)胞形式”和“結(jié)構(gòu)形式”。細(xì)胞形式的芯材是由圍壁包圍的開放空間形成的“胞元”，并以不斷重復(fù)的方式實現(xiàn)空間的填充，像蜂窩材料、泡沫材料和木材等；而“結(jié)構(gòu)形式的”芯材則是由能夠?qū)崿F(xiàn)剪力有效傳遞的結(jié)構(gòu)組成，像波紋夾芯等，如圖 1-1（b）所示。

圖 1-2 夾層結(jié)構(gòu)與工字梁對比示意圖復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)因比強(qiáng)度大、比剛度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、體育器間結(jié)構(gòu)、艦船結(jié)構(gòu)和風(fēng)電葉片等[2-5]，如圖 1-3（a）、（b）所示。而且，復(fù)合材料夾還可以通過在夾芯內(nèi)部填充不同性能的材料，從而實現(xiàn)其他功能的需求，如吸波和。如圖 1-3（c）所示的桅桿結(jié)構(gòu)，通過在其內(nèi)部填充吸波材料，可以增強(qiáng)桅桿的隱。（a）艦船結(jié)構(gòu) （b）風(fēng)電葉片 （c）桅桿結(jié)構(gòu)圖 1-3 夾層結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域的應(yīng)用[6]與大多數(shù)復(fù)合材料一樣，對復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的安全帶來最大威脅的是外界物體

混雜夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊及剩余彎曲強(qiáng)度研究圖 1-2 夾層結(jié)構(gòu)與工字梁對比示意圖復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)因比強(qiáng)度大、比剛度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、體育器材間結(jié)構(gòu)、艦船結(jié)構(gòu)和風(fēng)電葉片等[2-5]，如圖 1-3（a）、（b）所示。而且，復(fù)合材料夾層還可以通過在夾芯內(nèi)部填充不同性能的材料，從而實現(xiàn)其他功能的需求，如吸波和散。如圖 1-3（c）所示的桅桿結(jié)構(gòu)，通過在其內(nèi)部填充吸波材料，可以增強(qiáng)桅桿的隱身。
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本文編號：2857376