本文關鍵詞：蜂窩夾層結構失效模式及疲勞性能的試驗研究

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【摘要】：夾層結構在航空、航天等各領域有著廣泛應用,并已經作為主要構件使用,然而由于建造成本和技術成熟性問題,其在大型船舶建造領域應用較少。國際海事組織在2011年通過了包括船舶能效設計指數(EEDI)在內的修正案并于2013年開始實施,EEDI對船舶能效水平的要求必須依靠采用新型節(jié)能技術和設備來實現,作為一類比強度和比剛度大的構件,金屬蜂窩夾層結構可以在減輕船舶自重方面發(fā)揮很大作用,有著光明的應用前景。目前針對該類構件的研究較少,為了推動對其的利用,需要進行更深入的研究。本文以試驗研究為主,結合梁的簡單彎曲理論等探討了鋁蜂窩夾層結構在三點彎曲載荷工況下的失效模式問題,又從唯象理論角度探討了疲勞壽命問題：夾層結構的失效模式有多種,出現何種失效模式與試件材料及試驗條件有關,本文對面板屈服、壓入和芯子(剪切)失效三種模式進行了理論求解。首先借助梁的簡單彎曲理論分析了上、下不等厚面板夾層結構中的應力分布,給出了計算正應力和彎曲切應力的公式并做了一定簡化,為分析各失效模式打下基礎。按照彎曲理論得到了面板失效的臨界載荷；在考慮壓入失效時使用了兩種模型：(1)面板中產生塑性鉸,芯子產生塑性變形,(2)面板發(fā)生彈性變形,芯子為塑性變形；芯子失效模型中包含了兩種合理的變形模式,出現哪一種變形模式與夾層結構幾何尺寸和材料特性有關。根據夾層結構的試驗規(guī)范進行了不同跨距三點彎曲試驗,得到了各試件的載荷-撓度曲線和失效載荷。通過對載荷值、試件變形、應變和試驗視頻的比對分析,探討了夾層結構的失效模式和機理。試驗中主要出現兩種失效模式：壓入和面板屈服,在小跨距下為壓入失效,當跨距增大到一定值時為面板屈服,壓入失效中芯子壓潰從其高度方向的中間部分開始。不同跨距的彎矩-撓度曲線顯示剪切荷載在較短跨距時的作用增加。根據失效模式理論建立了失效模式圖,將理論結果同試驗結果進行了比較,表明對試驗所用材料,基于彈性面板的壓入模型更加合理。失效理論對試件的失效模式預測準確,也較好預測了理論失效載荷的大小。在夾層結構三點彎疲勞試驗中,進行了兩個芯子排列方向、兩種載荷比的疲勞試驗,得到了其中一種載荷比條件下試件在兩個芯子排列方向上的疲勞壽命曲線,試驗結果表明在載荷水平較大時,L向試件疲勞壽命大于w向,而當載荷水平較小時,W向試件疲勞壽命更長。在載荷水平較小時,疲勞壽命的離散度較大。試件在不同載荷比的疲勞壽命對比表明載荷比越小,相同載荷水平下試件疲勞壽命就越短。最后對疲勞壽命曲線進行了擬合并驗證了基于剛度退化理論的疲勞壽命模型對鋁蜂窩夾層結構的適用性。
【關鍵詞】：蜂窩夾層結構 三點彎 失效模式 疲勞壽命
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U661.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 緒論11-26
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 夾層結構介紹及應用12-17
• 1.2.1 夾層結構簡介12-13
• 1.2.2 夾層結構的應用13-15
• 1.2.3 夾層結構在船舶建造領域的應用15-17
• 1.3 夾層結構制造方法17-19
• 1.4 夾層結構研究現狀19-24
• 1.4.1 夾層結構理論研究介紹19-20
• 1.4.2 夾層結構靜力學試驗研究20-23
• 1.4.3 夾層結構疲勞性能試驗研究23-24
• 1.5 本文主要研究內容24-26
• 2 夾層結構的失效模式26-40
• 2.1 引言26-27
• 2.2 失效模式介紹27-28
• 2.3 具有上下不等厚面板的夾層結構應力計算28-33
• 2.3.1 夾層結構芯子的面內彈性模量28
• 2.3.2 中性軸的確定28-30
• 2.3.3 彎曲剛度的簡化30-31
• 2.3.4 彎曲止應力的計算31
• 2.3.5 彎曲切應力的計算31-33
• 2.4 夾層結構破壞模式分析33-38
• 2.4.1 面板屈服33-34
• 2.4.2 壓入失效34-37
• 2.4.3 芯子失效37-38
• 2.5 小結38-40
• 3 夾層結構失效模式試驗研究及與理論結果的對比分析40-56
• 3.1 引言40
• 3.2 不同跨距蜂窩夾層結構失效模式試驗40-50
• 3.2.1 試驗材料及試件準備40-41
• 3.2.2 試驗設計41-43
• 3.2.3 試驗結果及分析43-50
• 3.3 夾層結構失效模式的理論分析與試驗結果對比50-54
• 3.3.1 構建以跨距為變量的失效模式圖50-51
• 3.3.2 理論預測與試驗結果的比較51-52
• 3.3.3 多參量條件下的失效模式圖52-54
• 3.4 小結54-56
• 4 蜂窩夾層結構疲勞性能研究56-70
• 4.1 引言56-57
• 4.2 蜂窩夾層結構疲勞性能試驗研究57-64
• 4.2.1 試驗概況57-60
• 4.2.2 試件極限承載力測試60-61
• 4.2.3 試驗結果及分析61-63
• 4.2.4 疲勞壽命曲線擬合63-64
• 4.3 基于剛度退化理論的壽命預測模型的探討64-68
• 4.3.1 載荷控制模式下的模型推導64-66
• 4.3.2 鋁蜂窩夾層結構的模型建立及討論66-68
• 4.4 小結68-70
• 5 結論與展望70-72
• 5.1 結論70-71
• 5.2 展望71-72
• 參考文獻72-76
• 致謝76-77
• 個人簡歷77

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