夹芯复合材料帽型加筋板极限承载力及影响因素研究

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加筋板作为复合材料船体的基本结构形式而被广泛应用,但是由于复合材料的各向异性与构造形式的特殊性,在受到面内压缩时表现出更复杂的破坏模式。目前,复合材料加筋板的研究主要集中在航空领域,而对于船体复合材料加筋板的研究工作却相对较少,因此本文对船体夹芯复合材料帽型加筋板在面外均布载荷与面内压缩载荷联合作用下的极限承载力及影响因素进行研究,对复合材料船体的结构设计提供指导与促进作用。本文首先对采用的非线性有限元分析方法进行介绍,在与其他文献试验结果对比验证的基础上,基于二维Hashin准则与连续介质损伤力学的状态变量对夹芯复合材料帽型加筋板进行渐进失效分析,对其极限载荷、破坏模式及失效机理进行深入地讨论。在整体分析的基础上,对局部破坏区域采用有限元子模型技术进行实体细化建模,基于Shokrieh-Hashin准则与刚度折减系数进一步研究蒙皮每一铺层的失效行为。结果表明极限载荷为316.8kN,加筋板呈整体一阶屈曲破坏,最后在中间被压溃折断;壁板蒙皮的纤维压缩失效是加筋板整体破坏的直接原因;各铺层的面内失效规律基本相同,蒙皮的纤维压缩失效从外层逐渐向内层扩展,且扩展速率逐渐降低。接着,对芯材配置及特性、加强筋宽度、加筋板高度、蒙皮厚度对极限承载力的影响进行探讨,研究发现在壁板芯材的影响大于加强筋芯材,在壁板缺少芯材填充或加筋板的芯材性能较弱时,壁板发生多阶屈曲且极限载荷明显降低;根据加筋板截面参数对极限载荷的影响结果,基于相似理论推导出通过截面尺寸估算极限载荷的经验公式,通过与有限元分析结果对比验证出经验公式是准确可靠的,可应用于工程实际中极限载荷的估算。最后,对含有缺陷损伤的夹芯复合材料帽型加筋板的剩余极限承载力进行有限元分析,以讨论脱粘缺陷与冲击损伤对极限承载能力的影响。基于内聚力单元法研究面芯脱粘与桁材脱粘两种常见脱粘形式对极限承载力的影响,结果显示对极限载荷的影响较小,但仍是结构承载的薄弱之处,会造成脱粘区域局部破坏模式的改变;基于开口等效法将冲击损伤简化为圆孔探讨对极限承载力的影响,计算得出冲击损伤不仅明显削弱极限载荷,而且损伤区域成为加筋板整体破坏的起始位置,会对极限承载力产生较大的影响;接着进一步讨论冲击损伤参数对极限承载力的影响,分别改变损伤位置、损伤大小与凹坑深度,得出损伤参数对极限承载能力的影响规律。
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