【摘 要】
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碳纤维复合材料以其高强度、低密度、抗腐蚀、耐磨损的特质,在深水海洋工程领域有极大的应用前景,碳纤维拉挤杆替代传统钢制铠装层应用于脐带缆中能很好地解决深水化进程中脐带缆自重的制约。本文基于经典钢丝绳理论模型,结合复合材料力学推导了碳纤维螺旋杆结构在轴向拉伸和扭转载荷下刚度理论模型,模型充分考虑了各向异性材料属性并与Knapp经典钢丝绳理论进行了对比分析。为验证理论模型可靠性,建立“1+6”碳纤维螺旋
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碳纤维复合材料以其高强度、低密度、抗腐蚀、耐磨损的特质,在深水海洋工程领域有极大的应用前景,碳纤维拉挤杆替代传统钢制铠装层应用于脐带缆中能很好地解决深水化进程中脐带缆自重的制约。本文基于经典钢丝绳理论模型,结合复合材料力学推导了碳纤维螺旋杆结构在轴向拉伸和扭转载荷下刚度理论模型,模型充分考虑了各向异性材料属性并与Knapp经典钢丝绳理论进行了对比分析。为验证理论模型可靠性,建立“1+6”碳纤维螺旋杆数值模型,求解结构在拉伸、扭转及弯曲载荷下的数值刚度并与理论解析解进行对比分析。同时在数值建模分析了螺旋角度、各向异性材料特性、径向压力以及摩擦系数对结构刚度影响,发现螺旋角度对结构拉伸、扭转刚度影响较大,对弯曲刚度影响较小;是否考虑碳纤维各向异性对结构拉伸刚度影响不大,而考虑各向异性时扭转刚度及弯曲刚度减小;径向压力会导致拉伸刚度和弯曲刚度减小而扭转刚度增加;随摩擦系数增大,拉伸刚度减小而弯曲刚度增大。此后,本文建立了碳纤维螺旋杆增强脐带缆有限元模型求解整体拉伸刚度、扭转刚度以及弯曲刚度并基于此结果用ORCAFLEX软件分析脐带缆在波浪、海流等环境载荷中的动态响应,发现考虑各向异性时脐带缆整体扭转刚度及弯曲刚度减小,相应地在动载荷下结构将产生更大弯曲变形。
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