不同载荷形式下复合材料层合板渐进失效行为研究

近年来复合材料在船舶与海洋工程领域得到快速发展。船舶在服役周期内受载复杂,主要承载板材除受典型的面内拉压外载外,免不了遭受横向波浪载荷作用。研究复合材料层合板在不同载荷形式下结构的响应特征与损伤演化特性,有助于先进复合材料的性能评估及优化设计。本文采用三维实体单元及内聚力单元建立复合材料层合板模型进行计算分析,考察拉压载荷下层合板的极限承载能力与渐进失效过程,研究在横向载荷下层合板结构强度,对比分析其层内及层间损伤模式的差异性。     

细观尺度下船舶轴系三维编织复合材料剩余强度预测

为揭示三维编织复合材料船舶轴系在疲劳加载后剩余强度演化规律,在细观尺度下,基于渐进损伤方法,引入三维编织复合材料各组分疲劳失效、静拉伸失效的判定条件,考虑三维编织复合材料在疲劳加载过程中纤维束结构变化,建立一种三维编织复合材料疲劳加载后剩余强度预测模型。开展了三维编织复合材料平板试验件拉-拉疲劳后的拉伸试验,得到了循环数分别为25%、50%、75%后的剩余强度试验数据。预测模型的计算结果表明：剩余强度的预测值与试验值误差小于10%,相应循环数下试验件实际测量尺寸与计算尺寸误差小于5%,预测结果具有较高精度,说明了预测模型的有效性。     

纤维增强复合材料拉伸破坏过程的Monte-Carlo模拟

基于剪切滞后模型,采用影响函数叠加方法,得到复合材料在多纤维断裂下的应力场,包含了基体和界面塑性变形的影响.考虑纤维强度的统计特性,结合Monte-Carlo方法模拟丫复合材料在拉伸载荷作用下的累计破坏过程.结果表明:复合材料拉伸强度的尺寸效应与纤维强度分布的统计性质以及微观损伤诱发的应力重分配有关.文中的研究为进一步发展基于破坏机理分析的复合材料在热/机械载荷作用下的疲劳寿命预测理论奠定了基础.     

管节点在面内弯曲载荷下的静力与疲劳试验研究

本文介绍了一组5个大尺度T型管节点在面内弯曲载荷下进行静力和疲劳试验研究的概况。研究了热点应力范围概念及现有S－N设计方对承受面内弯曲载荷的管节点的适用性。给出了应力分析和疲劳试验的主要结果，也给出了曲型的裂纹扩展特性，并将试验结果与轴载下的试验结果进行了比较。面内弯曲载荷下的管节点，应力分布趋于均匀，应力集中系数显著下降，疲劳寿命只有随轴载的管节点的疲劳寿命的50％左右。     

纤维增强复合材料疲劳渐进破坏过程的Monte-Carlo模拟

基于纤维增强复合材料的热/机械疲劳损伤机理,考虑纤维强度的统计特性和金属基体循环响应的特征,发展了纤维断裂、基体和界面局部循环塑性以及基体/纤维脱粘等细观模式控制的疲劳破坏分析模型,结合Monte-Carlo方法研究了复合材料在循环载荷作用下的渐进破坏过程和疲劳行为,将纤维的统计强度、基体热塑性以及界面特性与复合材料的疲劳寿命定量地联系起来。     

复合材料发射筒水锤载荷数值模拟与试验验证

本文使用有限元数值仿真方法对某型复合材料发射筒进行水锤动态载荷下结构强度、刚度研究。研究结果表明,主体段采用复合材料,上、下法兰采用铝合金的结构方案,能够满足承载要求。开展部段样机的承载试验,与样机的仿真结果吻合,验证设计结果的正确性,为碳纤维复合材料筒设计提供支撑。     

剪切流对水平轴潮流能水轮机水动力性能影响

为了研究剪切流下潮流能水平轴水轮机水动力载荷特性,本文基于CFD方法,建立剪切流模型,计算了剪切流下水平轴水轮机的水动力载荷,并分析得出剪切率对水动力载荷的影响规律。结果表明：剪切流情况下,水动力载荷系数时历曲线发生明显波动,除弯矩系数的波动频率和叶轮旋转频率一致外,其他系数的波动频率均是叶轮旋转频率的2倍,且剪切率越大,水动力载荷系数的波动幅值就越大;随着速比增大,弯矩系数的波动幅值逐渐增加,而侧向力系数波动幅值先增加再减小,在最优速比左右达到最大值。研究成果可为潮流能水平轴水轮机的结构设计和性能优化提供依据。     

弯曲载荷下复合材料夹芯“L”型接头强度和疲劳试验研究（英文）

文章研究了复合材料夹芯"L"型接头在弯曲载荷下的静强度和疲劳问题。通过静加载试验,得到该接头的极限承载能力和破坏模式。在此基础上,对不同载荷水平下的试件进行疲劳试验。基于试验数据建立S-N曲线,比较了半对数线性拟合和"S"型函数拟合结果。结果表明,"S"型曲线的预测结果好于半对数线性拟合。同时,分析了疲劳载荷下的接头破坏模式,包括夹芯和面板之间脱粘、面板分层和纤维断裂。根据试验现象划分了表明裂纹扩展的3个阶段。建立了刚度退化模型表现不同载荷水平下刚度退化规律。     

弯曲载荷下复合材料夹芯"L"型接头强度和疲劳试验研究

文章研究了复合材料夹芯"L"型接头在弯曲载荷下的静强度和疲劳问题.通过静加载试验,得到该接头的极限承载能力和破坏模式.在此基础上,对不同载荷水平下的试件进行疲劳试验.基于试验数据建立S-N曲线,比较了半对数线性拟合和"S"型函数拟合结果.结果表明,"S"型曲线的预测结果好于半对数线性拟合.同时,分析了疲劳载荷下的接头破坏模式,包括夹芯和面板之间脱粘、面板分层和纤维断裂.根据试验现象划分了表明裂纹扩展的3个阶段.建立了刚度退化模型表现不同载荷水平下刚度退化规律.     

复合材料箱型基座结构静动态特性试验研究

以原钢质基座为对象,提出了一种箱型复合材料基座模型,根据该基座的承载应用要求,设计了适用14.7t大载荷加载的基座静/动态特性试验测试方案,针对复合材料基座和原钢质基座开展静刚度试验、空载振级落差试验、加载条件下的频响试验,对比分析了两种基座的静/动态性能。试验结果表明:所设计的复合材料基座的静刚度与原钢质基座相近,在0~1000Hz范围内,横向振级落差提高4.2dB;垂向振级落差提高2.3dB,且复合材料基座具备优异的高频损耗特性。     

水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估

为开展水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估研究,首先采用ANSYS/CFD计算螺旋桨流体模型在设计工况下的水动力载荷,并基于ABAQUS软件通过编码INP文件将水动力载荷施加于螺旋桨结构强度模型上;然后基于Hashin失效准则,分析不同铺层角下螺旋桨可能出现的失效模式,进行复合材料螺旋桨结构强度的评估分析;最后,依据应力等效原则,将水动压力载荷等效为集中载荷,开展模型桨静强度试验和仿真计算。结果显示:仿真计算结果与试验结果吻合良好,最大误差在9%以内,验证了复合材料螺旋桨强度评估方法的可靠性。     

钢板与砂泥岩混合填土接触面力学特性试验研究

基于直接剪切试验原理,研究了钢板与砂泥岩混合填土接触界面的剪切力学特性。试验中,钢板采用Q235钢材制作;砂泥岩混合土料采用弱风化砂岩和泥岩的破碎颗粒料按照5种不同的颗粒级配曲线以质量比8∶2配制。试验结果表明,钢板与砂泥岩混合填土接触界面的剪切应力-位移曲线可用双曲线拟合;抗剪强度可用摩尔-库伦强度准则来描述;抗剪参数粘聚力值随土体特性粒径d10,d30,d50,d60,d90的增大呈先减小后增大的抛物线型变化;摩擦角值随土体特性粒径d10,d30,d50,d60,d90的增大呈先增大后减小的抛物线型变化;粘聚力和摩擦角与土体不均匀系数和曲率系数的相关性不明显。     

倾斜侧壁正八边形天线罩风载特性研究

风载是综合集成桅杆复合材料天线罩所受的主要载荷之一,研究天线罩的风载特性将对复合材料天线罩的结构设计具有重要指导意义。采用试验和数值模拟的方法对倾斜侧壁正八边形天线罩的风载特性进行研究,分析天线罩表面平均压力系数和脉动压力系数的周向分布规律,以及Strouhal数(St数)随雷诺数(Re数)和风向角的变化规律,并将计算结果与试验结果进行比较分析。研究结果表明:平均压力系数和脉动压力系数沿周向分布变化较大,不同风向角下St数随Re的增加趋于稳定值,平均压力系数和脉动压力系数计算值与试验值基本相近。     

考虑配合比的砂泥岩混合填料剪切蠕变力学特性

砂泥岩混合填料的配合比是影响码头地基承载性能及稳定性的关键因素。为研究不同配合比下砂泥岩混合填料土的蠕变力学特性,开展剪切蠕变试验。结果表明,在同一配合比下,随着剪应力加载等级的提高,瞬时、蠕变应变量及初始、稳态蠕变速率均呈逐渐递增趋势;当处于同样加载等级时,初始、稳态、极限加速蠕变速率及瞬时、蠕变应变量均随配合比中泥岩颗粒占比增大而呈递增趋势;混合填料长期强度折减较大,折减范围为50.53%～66.95%,长期强度随配合比中泥岩颗粒占比增大而递减。研究成果可为码头砂泥岩混合填料地基长期稳定性评价提供一定参考。     

海上风电大直径超长桩侧阻力抗拔折减系数试验研究

海上风电群桩基础中的单桩需能承受较大的上拔荷载。抗拔承载力往往是决定桩长的控制因素。针对海上风电大直径超长桩的侧阻力抗拔折减系数(抗拔侧阻力/抗压侧阻力)开展研究,通过静载荷试验的方法获得试验桩各土层的抗压侧阻力和抗拔侧阻力实测值,进而得到侧阻力抗拔折减系数,并将其与现行规范推荐值进行对比,验证规范的合理性。研究结果显示,各土层的侧阻力抗拔折减系数几乎都小于规范推荐值。因此,采用规范推荐的侧阻力抗拔折减系数计算大直径超长桩抗拔承载力可能会得到偏危险的结果。     

钛合金疲劳裂纹扩展速率试验及预报方法

本文针对深海载人潜水器耐压壳用钛合金,开展疲劳性能试验研究,得到该类型钛合金的室温断裂韧性,载荷比R=0.1下的疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展速率,基于选用的疲劳裂纹扩展预报模型,对载荷比R=0.1下的钛合金疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究。结果表明:在载荷比不变的前提下,应力强度因子范围是疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素,应力强度因子范围的增加会导致疲劳裂纹扩展速率增加;考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型可对钛合金的疲劳裂纹扩展行为进行准确预报。     

船体结构局部强度设计中的砰击载荷确定方法

在分析船舶砰击载荷力学特性的基础上,首先对各种船体砰击载荷设计方法进行比较和开展了压力不均匀系数的研究。然后从工程实用的角度出发,引入和扩展了砰击压力"折减系数"的概念,将砰击压力转化为与结构应力响应等价的均布静压力,使结构仍可按静力强度计算方法来进行设计和校核。在此基础上,提出了船体结构局部强度设计中确定砰击载荷的思路,给出了在砰击载荷作用下各种局部结构强度计算的方法与步骤。通过实例应用和分析,验证了方法的实用性。该方法可应用于船体局部结构的设计实践。     

船用复合材料层合板螺栓孔处疲劳寿命实验研究

复合材料层合板结构由于其优异的力学性能在舰船上得到广泛使用。此种结构一般采用螺栓连接,其连接处的疲劳特性往往决定了结构的使用寿命。针对舰船桅杆上的复合材料雷达罩,阐述如何将结构疲劳实验简化为部件疲劳实验的具体方法和过程。设计了试验件和相应的夹具,开展了复合材料层合板螺栓连接结构的部件疲劳实验。分析表明:弹簧垫圈的预紧作用可延长复合材料层合板螺栓孔处的疲劳寿命;可采用结构静强度覆盖结构疲劳并辅以部件疲劳实验的方法来评估复合材料层合板结构的疲劳性能。     

船体分段钢结构焊接变形控制方法

船体分段钢结构焊接变形导致焊接工艺下降,提出基于极限强度应变动态调整的船体分段钢结构焊接变形控制方法。构建船体分段钢结构船体板和加筋板试件的载荷分析模型,通过累积塑性损伤和疲劳裂纹损伤特性分析,建立循环载荷幅值响应与裂纹分布的动态分布关系,根据单调载荷下船体板极限强度的应变特征分析和动态反馈调整,实现对船体分段钢结构焊接变形控制。测试表明,该方法提高了船体分段钢结构焊接的可靠性,降低变形屈服响应,提高极限承载性能。     

基于简化Zig-zag模型的钢聚氨酯夹层板屈曲分析

本文提出一种简化的高阶Zig-zag理论,即面板采用一阶剪切变形理论,芯材采用Reddy高阶剪切变形理论,建立钢聚氨酯夹层板在面内压缩载荷作用下的屈曲分析模型。考虑夹层板作为船舶舱口盖的受力特性,利用Matlab和有限元软件Ansys分别求出在面内压缩载荷作用下的钢聚氨酯夹层板的屈曲临界载荷,理论解与仿真值吻合度较高并分析几何参数对结构稳定性的影响。研究结果表明,在考虑结构重量的前提下,增加芯材即聚氨酯的厚度能较好的提高结构的稳性。