船体复合材料帽型加筋板渐进破坏分析

复合材料加筋板复杂的破坏过程与失效形式增加了应用难度。以面外均布载荷与面内压缩联合作用下的夹芯复合材料帽型加筋板为研究对象,在通过试验结果验证非线性有限元方法准确性的基础上,基于复合材料的hashin准则与胶层界面的最大应力准则展开渐进破坏分析,讨论了极限载荷、破坏模式及失效机理。采用有限元子模型技术对中段破坏区域建模,基于Shokrieh-Hashin准则进行局部破坏分析,讨论蒙皮的铺层损伤规律。结果表明:加筋板呈整体一阶屈曲破坏,极限载荷为316.8 kN;壁板下蒙皮的纤维压缩失效是导致加筋板整体破坏的原因;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。     

玄武岩纤维复合材料层合加筋板轴向动力压缩破坏分析

基于通用有限元软件,结合复合材料失效准则对玄武岩纤维复合材料层合加筋板在轴向动力压缩载荷作用下的破坏问题进行了研究,并比较了玄武岩纤维复合材料层与S-2玻璃纤维增强复合材料帽形层合加筋板轴向动力压缩破坏的差异.研究结果表明,玄武岩纤维复合材料层合加筋板具备与S-2玻璃纤维复合材料层合加筋板相当的轴向压缩性能.本研究可以为选用玄武岩纤维作为高速舰船船体材料提供参考依据.     

船舶复合材料加筋板屈曲和后屈曲行为研究

基于数值方法和有限元计算对船用复合材料加筋板进行特征值屈曲分析和非线性屈曲分析,探究危险载荷工况下加筋板的屈曲模态、临界屈曲载荷和后屈曲极限承载能力。考虑复合材料加筋板的基体失效、剪切失效和纤维失效,采用Hashin失效准则和动力显式分析方法进行非线性屈曲分析。分析结果表明:临界屈曲载荷、屈曲/后屈曲行为以及极限承载能力等与试验结果吻合较好,复合材料加筋板的极限承载能力约为临界屈曲载荷的5.4倍。通过参数化研究,分析了铺层角度、厚度以及加筋板间距对船舶复合材料加筋板屈曲和后屈曲行为的影响程度,为复合材料船体结构的力学行为评估、设计应用等提供一种有效参考。     

复合材料船体层合板的极限强度分析

基于更新拉格朗日格式,应用非线性层合三维退化壳元,结合有效的复合材料失效准则、刚度退化模型以及文中提出的刚度矩阵奇异判断准则,对复合材料层合板在轴向载荷作用下的轴向压缩极限强度问题进行深入研究.讨论了铺层方式、板厚等对极限强度的影响.通过与试验结果进行比较,表明基于文中提出的刚度矩阵奇异判断准则,结合增量更新拉格朗日格式下非线性层合三维退化有限元的计算方法能有效计算复合材料层合板的轴向压缩极限强度,并具有很高的精度.     

复合材料船体纵向极限承载能力分析

该文利用梁柱理论推导出复合材料梁柱的极限承载能力公式,讨论了加筋板的初始几何缺陷,载荷偏心,蒙皮屈曲后的有效蒙皮宽度对复合材料长帽形加筋板的极限承载能力的影响。利用复合材料梁柱理论计算船体甲板或船底板结构视加筋板单元构件的极限承载能力,最后由Smith法来计算复合材料船体的极限承载能力。     

复合材料层合板螺栓连接接头极限强度分析

对基于不同渐进失效准则计算复合材料层合板螺栓连接接头极限承载力的高精度预报方法展开研究。基于Abaqus有限元软件,采用USDFLD子程序对接头进行渐进失效分析。分别采用最大应力准则、蔡-希尔失效判据、霍夫曼失效准则、蔡-吴失效准则、哈辛失效准则等5种失效准则进行数值计算。建立不同的场变量描述纤维、基体、界面的损伤状态,研究复合材料层合板螺栓连接接头在拉伸载荷作用下的损伤发展过程。研究表明,基于这5种失效准则计算的有限元仿真结果均与试验值较为接近,其中采用纤维失效和基体失效分开考虑的哈辛失效准则计算的复合材料层合板螺栓连接接头的极限强度与试验结果的准确度吻合最好,较适用于复合材料螺栓连接结构的有限元仿真。     

轴向冲击作用下玻璃纤维复合材料层合梁脱层及其扩展分析

玻璃纤维增强型复合材料层合梁在受轴向质量块冲击时,由于纤维铺层间的粘结强度较小,该区域易出现初始裂纹.进而扩展为脱层损伤.文章探讨了采用有限元数值模拟对脱层的产生与扩展进行建模、计算分析的方法.针对发生在纤维层问的脱层损伤,基于传统的应力失效准则,结合断裂力学的B-K能量失效准则,建立了混合失效准则来定义界面处的损伤规律,将发生脱层的潜在区域定义为粘结接触.计算结果与实验对比具有较好的一致性.     

冰载荷对加筋板轴向压缩极限强度的影响

船舶在冰区航行时,将遭受浮冰的挤压,船舷侧部位的加筋板会受到冰载荷的作用。以单筋单跨加筋板为研究对象,采用非线性有限元法对冰载荷下加筋板轴向压缩极限强度进行分析。研究冰载荷的大小、加载区域面积和加载区域位置的不同对极限强度的影响规律。结果表明,冰载荷大小一定,冰载荷作用区域面积逐渐增加时,加筋板的轴向压缩极限强度随着面积的增加基本呈线性增加。冰载荷作用区域位置距离加筋板中心点距离逐渐增加时,加筋板的轴向压缩极限强度逐渐增加,且随着相对距离的增加,对加筋板轴向压缩极限强度的影响越来越大。这些结果可用于指导冰区船舶结构的设计以及维护。     

极地小型邮轮加筋板结构冗余度试验研究

以极地小型邮轮加筋板结构为研究对象,设计并制作典型加筋板缩比模型,开展完整结构和损伤结构的轴向压缩极限强度试验研究,揭示完整结构和损伤结构下,主甲板板架结构的极限承载能力和屈曲失效模式,并基于全船结构强度有限元方法,计算主甲板板架完整结构和损伤结构的应力,进行了主甲板板架结构冗余度评估。研究发现：轴向压缩载荷作用下,单独一根加强筋出现局部损伤会小幅度降低加筋板结构的极限承载能力;加筋板完整结构和损伤结构屈曲破坏模式均为加强筋率先破坏引起整个板架结构屈曲破坏;单独一根加强筋的损伤不会引起极地小型邮轮加筋板结构的连续性垮塌,具有良好的结构冗余。研究结果对极地小型邮轮结构设计和冗余度研究具有一定参考价值。     

斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板冲击后压缩行为分析

[目的]为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响,对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。[方法]通过建立有限元模型,开展层合板冲击后的压缩仿真分析,采用Fortran语言编写用户自定义材料子程序（VUMAT）,实现改进的Hashin失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict中的应用;从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比,验证所建立数值模型的有效性。[结果]结果显示,冲击损伤会降低层合板的压缩强度,无损层合板的压缩失效模式为端部破坏,冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏;冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低,但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系;层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关,压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前,层合板的损伤几乎没有发生拓展,一旦压缩载荷达到阈值,损伤将沿宽度方向迅速拓展,最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。[结论]所做研究可为斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板的抗冲击性能评估提供参考。     

Comparisons of calculations with experiments on the ultimate strength of wide stiffened panels

Five specimens of wide stiffened panel with four stiffeners under axial compression until collapse are studied with a nonlinear finite element analysis and Common Structural Rules to compare with the experimental results. The stiffened panel models have two longitudinal bays to produce reasonable boundary condition at the end of edges. Tension tests have been conducted to obtain the material properties of the steel that are used in the finite element analysis. Three boundary condition configurations are adopted to investigate their influence on the collapse behaviour of the stiffened panels. A displacement transducer was used to measure the initial geometrical imperfections of the stiffened plates. The collapse behaviour of the stiffened panels is analysed in finite element analysis with the measured initial imperfections and with nominal imperfections. An equivalent initial imperfection is validated for the ultimate strength of stiffened panel under compressive load until collapse for the panels under consideration. With the same imperfection amplitude, the shape of the column-type initial deflection of stiffeners affects significantly the collapse shape, but only slightly the ultimate strength and the mode of collapse of the stiffened panels. The 1/2 + 1 + 1/2 bays model with restrained boundary condition BC3 gives an adequate FE modelling and is possible to be fabricated in experiment.     

初始缺陷对加筋板结构极限强度的影响研究

采用非线性有限元软件Ansys研究包含3种初始缺陷加筋板结构在单轴压缩载荷作用下极限强度的变化趋势,即初始变形、残余应力和凹陷.以单筋单跨加筋板模型为研究对象,考虑初始变形,不同半径及不同速度的撞击球所形成的凹陷及残余应力对加筋板极限强度的影响.结果表明,初始缺陷的存在降低了结构的极限承载力,而且缺陷的叠加作用比单独缺陷存在时对结构极限强度的影响大;加筋板的极限强度随着凹陷深度的加深而减小;3种初始缺陷中,残余应力相对于初始变形和凹陷对结构极限强度的削弱影响更大.     

复合材料船体纵向极限强度可靠性分析

把船体甲板或船底板结构视为是一系列加筋板单元的组合，然后利用复合材料梁柱理论计算船体加筋板单元构件的极限承载能力，最后用Smith法计算复合材料船体的极限承载能力。由于复合材料船体纵向极限强度的极限状态方程不能简单地用船体各参数显式表达，故将近年发展起来的响应面法与JC法相结合，对复合材料船体纵向极限强度进行了可靠性分析。并讨论了影响船体纵向极限强度可靠性各变量的敏感性。     

Influence of boundary conditions on the collapse behaviour of stiffened panels under combined loads

A series of finite element analyses are conducted to investigate the influence of boundary conditions and geometry of the model on the predicted collapse behaviour of stiffened panels. Periodic and symmetric boundary conditions in the longitudinal direction are used to calculate the ultimate strength of stiffened panels under combined biaxial thrust and lateral pressure. The calculated ultimate strength of stiffened panels are compared with those by different FEM (finite element method) code and are assessed. The periodic boundary condition in the longitudinal direction for two spans or bays model provides an appropriate modelling to a continuous stiffened panel and can consider both odd and even number of half waves and thus, is considered to introduce the smaller model uncertainty for the analysis of a continuous stiffened panel.     

含裂纹加筋板在压缩载荷下的剩余极限强度试验研究

在老龄化引起的船舶结构安全性问题中,裂纹损伤是结构强度衰减的一个重要因素。文章采用逐步加载法对含裂纹损伤的加筋板压缩剩余极限强度进行试验研究。设计六种典型的穿透裂纹损伤加筋板,对损伤试件进行轴向压缩试验。通过改变裂纹尺寸、位置及倾角参数并根据试验观测结果,探讨了不同裂纹参数下加筋板的屈曲破坏特点和对剩余极限强度影响。试验结果表明,不同的裂纹长度以及裂纹位置改变加筋板结构承载力的分布,影响结构应力应变场,进而改变其失效崩溃模式;倾角为45°的裂纹相对于垂直于加筋的裂纹对加筋板结构的剩余极限强度影响较小,此外初始缺陷对结构的剩余极限强度的影响也不容忽视。     

循环荷载作用下加筋板格单元的损伤累积及力学模型研究

为了计算加筋板和船体梁在循环荷载作用下的极限强度,将一种能够考虑损伤累积和构件局部屈曲的一维钢材等效本构模型引入到加筋板格单元中,提出加筋板格单元在轴向循环荷载作用下的损伤累积力学模型,采用Visual Basic程序编制了计算程序,对若干加筋板格单元在双向轴向循环荷载作用下的承载性能进行计算研究,并使用非线性有限元软件Abaqus进行对比验证,结果表明所提理论方法具有较好的精度。     

复合材料导管导流罩渐进失效分析

基于连续损伤力学（Continuum Damage Mechanics,CDM）理论对复合材料导管导流罩进行渐进失效分析,结合刚度降级方法从材料失效角度对导流罩结构极限承载能力和失效演变情况进行研究。利用APDL参数化语言编写程序建立复合材料导管导流罩有限元模型,应用多帧重启动及弧长法实现分析过程。根据Tsai-Wu失效准则判断复合材料损伤及损伤原因,并对失效单元进行连续记录。结果表明：复合材料导流罩结构最先出现基体开裂失效模式,此时少量破坏对导流罩整体结构性能影响较小;随着载荷继续增加出现纤维断裂失效模式;在纤维断裂大规模出现时,载荷位移非线性关系逐渐明显,结构性能急剧下降;整个过程几乎没有出现界面剪切失效情况。根据结构载荷位移曲线和失效单元数目变化情况,导流罩承载时的Tsai-Wu失效因子作为复合材料导管导流罩的强度校核指标具有理论和实际意义。