复合材料上层建筑力学性能分析与典型模型试验验证方法研究

摘要

复合材料结构具有优越的力学性能与隐身性能，其在上层建筑中的应用可在满足基本力学性能要求的同时，大幅度的实现船体轻量化，降低船体重心提高稳性，同时实现优良的电磁隐身性能。复合材料在上层建筑中的应用，甚至是代表着未来战舰先进发展趋势的一体化上层建筑的相关研究，国内尚处于概念性论证与预先研究的阶段，虽已具有复合材料上层建筑初步设计方法以及相关力学性能试验验证的雏形，但仍存在以下问题亟待解决:首先，大尺度复合材料上层建筑尚无可直接参考的设计规范，导致其结构形式复杂多样，势必导致结构内部的受力承载特征具有区别;其次，目前的设计多采用数值方法开展，缺乏典型部件的受力承载特性的理论计算方法;最后，典型部件的受力承载特征与传统钢质上层建筑部件具有一定的区别，所开展的设计与试验验证工作中未对试验模型与原型之间的相似规律、试验边界条件的处理方式进行分析，尚无成熟的试验验证方法。本文针对上述三个方面的问题，依据“积木式设计与验证思想”，按结构尺度分别对复合材料上层建筑中的夹芯板、连接节点、典型舱室的力学性能分析与试验验证方法开展研究并得出了一些有意义的结论。
　　(1)为研究夹芯板格结构在复合材料上层建筑中的受力特征与边界条件，并说明其与钢质上层建筑板格的区别，首先对比了传统钢质与复合材料板架的梁-板抗弯刚度比的区别，得出复合材料板架的梁-板抗弯刚度比相对于传统钢质板架低4～5个量级。探讨了不同梁-板抗弯刚度比对于不同位置夹芯板内力分布规律的影响，得出在梁-板抗弯刚度比大于22时，加强筋可作为夹芯板的不动支座，且夹芯板的边界条件接近于刚性固定。据此边界条件，同时考虑夹芯板均布设计载荷的实现，设计了采用气囊加载方式的夹芯板静力试验装置并形成了试验验证方法。
　　(2)连接节点是复合材料上层建筑设计与试验验证中的关键环节。文中梳理了复合材料上层建筑的典型夹芯板连接节点类型与常见的设计形式。在上层建筑的设计载荷作用下，分析了不同位置夹芯板连接节点的承载特性以及载荷传递规律。结合双向板弹性理论推导了复合材料夹芯板连接节点的内力计算方法，通过与数值结果进行对比，验证了该理论的有效性。并结合课题需求提出了舷侧壁板与顶甲板连接的静力试验验证方法。
　　(3)复合材料上层建筑的典型舱室结构的地面验证试验，可在实船应用之前较为全面的考核整体结构的力学性能。文中首先提出上层建筑的典型舱室验证模型的选取原则，在设计载荷作用下对结构的危险位置进行分析，得到了试验验证模型中应包含的关键位置，进而提出了典型舱室验证模型。通过数值方法，对不同的边界条件截取方式的试验模型响应与原型之间相似性进行讨论，确定了外延舱壁的试验模型边界截取方法。依据复合材料上层建筑的设计载荷形式，提出了大尺度舱室模型分布载荷的拉压垫加载方案。针对压力梯度变化较大的分布载荷形式，推导了基于最小变形能的载荷分配计算方法。并选取复合材料上层建筑的折边位置壁板作为分析对象，通过对比不同加载方式下结构的变形与应变，验证了该载荷分配方法的有效性，旨在提出适合工程应用的大尺度舱室模型静力试验验证方法。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究目的及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1舰船复合材料上层建筑的应用与发展

1．2．2舰船复合材料结构设计方法与规范

1．2．3复合材料结构静力学性能试验方法研究

1．3本文主要研究内容

第2章复合材料上层建筑载荷特性与建模方法研究

2．1引言

2．2风载荷特性分析

2．3惯性载荷特性分析

2．4上浪砰击载荷特性分析

2．5总纵弯曲载荷分析

2．6复合材料夹层结构建模方法

2．7本章小结

第3章夹芯板结构受力分析及其试验验证方法

3．1引言

3．2典型复合材料板架结构形式与特点

3．2．1夹芯板架的加强筋类别

3．2．2加强筋带板有效宽度取法

3．2．3夹芯板架抗弯刚度计算方法

3．2．4夹芯板架梁-板抗弯刚度比统计

3．2．5与钢质板架结构特征的区别

3．3板架的梁-板抗弯刚度比对夹芯板格边界条件的影响

3．3．1对变形模式的影响

3．3．2对弯矩分布的影响

3．4夹芯板静力性能试验验证方法研究

3．4．1试验目的

3．4．2试验装置与夹具设计

3．4．3试验样件设计

3．4．4试验载荷与加载方法

3．4．5试验结果验证衡准

3．5本章小结

第4章夹芯板连接节点受力分析及其试验验证方法

4．1引言

4．2典型夹芯板连接节点形式与特点

4．3夹芯板连接节点的弯矩分布规律

4．4夹芯板连接节点弯矩的理论计算方法

4．4．1双向板弹性理论解

4．4．2夹芯板连接节点弯矩计算

4．5夹芯板连接节点静力性能试验验证方法研究

4．5．1试验目的

4．5．2试验载荷与加载方法

4．5．3试验装置与夹具设计

4．5．4试验样件设计

4．5．5试验结果验证衡准

4．6本章小结

第5章典型舱室模型试验验证方法

5．1引言

5．2．1模型选取原则

5．2．2结构危险位置分析

5．2．3试验模型确定

5．3试验模型边界条件模拟

5．3．1边界截取方法

5．3．2截取长度的影响

5．4试验验证方法研究

5．4．1模型安装夹持方法

5．4．2试验载荷加载方式

5．4．3试验载荷分配方法

5．5本章小结

第6章结论和展望

6．1本文主要结论

6．2进一步研究工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢