游艇复合材料低速冲击性能与剩余压缩强度研究

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随着水上运动的多样化,游艇快速地进入了大众视野,同时推动了游艇复合材料及游艇结构相关研究。在游艇航行过程中难免受到速度为1-10m/s的水上漂浮物低速冲击,在经受低速冲击后游艇还有可能遭遇压缩工况。因此有必要对游艇复合材料进行低速冲击性能与剩余压缩强度研究。本文通过对某游艇上使用的复合材料板进行低速冲击试验和剩余压缩强度试验,结合有限元软件ABAQUS对其进行仿真分析,并分析了游艇结构强度与艇艏低速冲击性能、剩余压缩强度。论文主要内容包括:(1)基于ASTM-D7136标准,通过落锤式冲击试验机对4种游艇复合材料试样进行6种冲击能量的低速冲击试验。从接触力、位移、能量三个指标进行分析,研究不同铺层试样的力学特性。结合便携式超声C扫描设备对试样内部损伤形态进行观察,研究了不同铺层试样的损伤特征。结果表明:在试样中间铺设碳纤维可有效控制低速冲击造成的损伤。(2)基于ASTM-D7137标准,通过万能试验机对冲击后的复合材料试样进行剩余压缩强度试验。基于接触力-位移曲线对不同试样的剩余压缩强度进行比较,研究了剩余压缩强度与低速冲击能量、损伤面积及铺层方式间的关系。结果表明:中间铺设碳纤维的试样在经受低速冲击后,其剩余压缩强度较低。(3)基于Hashin、Puck损伤准则编写用户自定义材料(VUMAT)子程序,在ABAQUS中模拟低速冲击和剩余压缩强度试验中试样刚度折减及应力分布情况,并分析Hashin、Puck损伤准则对游艇复合材料仿真的准确性。结果表明:基于Hashin、Puck损伤准则的子程序能较为有效的模拟游艇复合材料试样在低速冲击及剩余压缩强度试验中展现的力学特性。(4)基于某游艇厂参数构建了一艘双体游艇的有限元模型,结合中国船级社标准研究了该游艇模型在不同铺层下结构强度的变化,同时分析了不同网格密度对模型准确性的影响。对不同铺层下游艇艇艏的低速冲击性能及剩余压缩强度进行仿真对比,为游艇铺层选择提供了有效参考。
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