基于等效截面的复合材料板格弯曲正应力计算方法

复合材料板格作为复合材料基本板架结构力学性能的最小分析单元,是由不同厚度、不同材料和不同铺设角度的单层板叠合而成。利用材料力学理论和经典复合材料层合板理论,推导一般情况下的复合材料板格中性轴位置控制方程,并采用等效截面方法,提出复合材料板格各单层弯曲正应力的计算公式。复合材料板格各单层的最大正应力由模量比和距中性轴位置共同决定。此公式形式上和各向同性材料弯曲正应力的计算公式一致,从而将弯曲正应力计算公式由各向同性材料扩展到各向异性材料,为掌握复合材料板架结构应力水平提供方便。此公式形式简洁,便于工程应用。     

一种复合材料加筋夹芯板弯曲正应力工程计算方法

复合材料加筋夹芯板作为复合材料基本板架结构力学性能分析单元,是由夹芯板和加强筋组成,其蒙皮由不同厚度、不同材料和一定铺设角度的单层板叠合而成。利用材料力学理论和经典复合材料层合板理论,将蒙皮等效成正交各向异性层合板,推导一般情况下的复合材料加筋夹芯板中性轴位置控制方程,并采用等效截面方法,将加筋夹芯板截面等效成单一材料的组合截面,提出复合材料加筋夹芯板弯曲正应力的工程计算公式。复合材料加筋夹芯板各部分的最大弯曲正应力由模量比和距中性轴位置共同决定。本文提出的加筋夹芯板弯曲正应力工程计算方法,与有限元计算结果十分接近,主要弯曲正应力计算值与有限元值误差不超过10%,可以满足工程上的计算要求。此公式形式上和各向同性材料弯曲正应力的计算公式一致,给掌握复合材料板架结构应力水平带来方便。     

粘弹性阻尼夹层板动力特性分析及其试验研究

本文在数值计算和试验的基础上研究了阻尼夹层板的动态特性和振动响应计算方法.在小变形线弹性理论的基础上,构造了阻尼夹层板单元.将三层板都看成Mindlin板单元,以各层的中面为坐标平面建立局部坐标系来建立有限元模型,考虑了偏心阵的作用,大大简化了计算程序.粘弹性采用常复数模型,用求解复特征值的方法求得了其固有频率和损耗因子.在此基础上编制了相应的有限元计算程序,进行了较详细的数值计算与分析,并讨论了粘弹性阻尼层的厚度、模量、损耗因子对结构动力特性的影响,得到了有工程应用价值的一些结论.同时分别对单层铝板、自由阻尼层板和约束阻尼层板进行了模态试验和响应试验,识别了结构的阻尼,验证了理论计算的正确性.本文还给出了阻尼夹层板结构动力响应的一种近似计算方法:将粘弹性材料看成完全弹性的材料,将粘弹性材料的阻尼以比例阻尼的形式给出,利用试验得出或估算公式给出结构模态阻尼,采用直接积分法求解.计算了简谐激励下的响应,并与实测的结果进行了比较分析.结果表明了该计算方法的合理性,为工程近似计算提供了一种简便的计算方法.     

舰船甲板钢质夹层结构设计

金属夹层结构在稳定性、抗爆抗冲击等方面具有良好的力学性能，在舰船领域有广阔的应用前景。为进一步研究夹层结构在轮印载荷下的应力特征，以特定单层甲板加筋板架结构为原型，设计相应的I型夹层结构作为研究对象，采用数值仿真进行分析，并通过缩比模型试验对计算结果进行验证。在此基础上，进一步研究夹层结构上下铺板厚度、芯层腹板厚度、高度和间距等参数变化对夹层结构强度和刚度的影响，提出相关建议，为舰船甲板夹层结构的设计和模型试验等提供参考。     

粘弹性阻尼夹层板动力特性分析及模态实验研究

在小变形线弹性理论的基础上,构造了阻尼夹层板单元.对三层板均采用Mindlin板单元,以各层的中面为坐标平面建立局部坐标系来建立有限元模型,芯层材料的粘弹性采用常复数模型.对其动态特性进行了有限元分析,采用求解复特征值的方法求得了其频率和损耗因子.在此基础上进行了详细的数值计算与分析,讨论了粘弹性阻尼层的厚度、模量、损耗因子对结构动力特性的影响,对结构的阻尼机理有了进一步理解,得到了一些有工程应用价值的结论.最后分别对单一铝板、自由阻尼层板和约束阻尼层板进行了模态实验,验证了理论计算的正确性.     

船用钢/聚氨酯夹层板动态压缩本构关系研究

基于Ansys/LS-DYNA对SHPB实验技术进行了数值模拟,分析了不同厚度比的钢/聚氨酯夹层板在多种应变率下的动态压缩力学性能,在此基础上分别基于ZWT模型和Johnson-Cook模型建立了此类夹层板的动态压缩本构方程,并对2种方程进行对比分析。研究表明,钢/聚氨酯夹层板对应变率非常敏感,屈服强度随应变率的增大而显著提高;基于Johnson-Cook模型构建的钢/聚氨酯夹层板动态压缩本构方程能比较精确的描述不同厚度比的钢/聚氨酯夹层板在高应变率下的应力应变关系,方程具有一般性且精度较高。     

组合压载下金属折叠式夹层板的后屈曲极限强度分析

金属夹层板以优异的力学性能已应用于实船。本文根据与加筋板重量相当原则,设计一种金属折叠式夹层板结构,考虑其应用于舰船甲板的受力特性,采用非线性有限元方法,研究夹层板结构在不同组合载荷作用下的非线性后屈曲极限强度。首先通过与经验公式及相关结果对比验证了本文数值仿真方法和技术的可行性和准确性;然后建立双向面内受压和垂向载荷作用下的金属折叠式夹层板结构数值模型,基于屈曲特征值确定屈曲极限强度分析的初始缺陷;考虑结构初始缺陷,计算得到夹层板结构的后屈曲极限强度;对金属折叠式夹层板在不同组合载荷作用下的横向、纵向后屈曲极限承载能力进行计算分析;并与传统加筋结构对比,结果显示本文设计的金属折叠式夹层板结构具有更优异的稳定性和极限承载力,结果对金属夹层板的应用与强度设计提供参考。     

基于铝质夹层板的上层建筑轻量化设计

铝质夹层板主要在豪华邮轮和快速艇上进行应用,为扩大铝质夹层板的应用范围,以常规民船上层建筑为研究对象,对该上层建筑局部结构进行轻量化替代设计。根据夹层板结构特点确定结构型式和相应连接结构型式。并利用有限元软件ABAQUS比较分析替代设计前后该上层建筑的力学性能。计算结果表明铝质夹层板上层建筑能有效减轻结构,并且具有更优的力学性能,这为后续铝质夹层板的推广应用提供了参考。     

复合夹层板弯曲挠度的一种近似计算方法

基于Hoff夹层板理论对夹层板弯曲挠度计算提出一种近似计算方法,将夹层板的面板和芯材在横向载荷作用下产生的挠度值分别计算,然后合成相加得到夹层板的总挠度分布。避免了引入夹层板截面转角这两个未知量,仅应用单层薄板的挠度解即可求得夹层板挠度的分布。算例表明,当面板厚度与芯材厚度之比小于<0.67时,本方法计算出的挠度值与Hoff理论的计算结果误差很小,可以替代Hoff理论来进行夹层板挠度的计算。     

C型独立液罐Y接头网格尺寸效应分析

针对板单元模拟Y接头存在的网格尺寸效应导致模型仿真失真问题,设计一系列双耳罐球形封头模型,以3层实体单元模型结果为基准,讨论板壳单元尺寸与厚度、半径以及圆心距的关系,提出了大型液罐Y接头最佳网格尺寸的经验公式,计算精度显著提高,有限元结果更加真实可信。同时研究Y接头处的薄膜应力和弯曲应力的特点,提出薄膜应力和弯曲应力的计算公式。     

Load-bearing characteristics of marine complex sandwich composites considering unequal elastic modulus in tension and compression

The panel and core materials of sandwich composite usually have the characteristics of unequal elastic modulus in tension and compression. However, in the numerical calculation of sandwich composite, it is usually considered as the material with the same tensile modulus or compression modulus, which often leads to larger calculation errors. The test results show that when the elastic modulus of tension and compression is about 10 times different, the maximum calculated stress and maximum deflection will be more than twice different. In view of the complexity of sandwich composite structure, based on the bi-modulus model of laminated plates, a simplified theoretical formula and numerical calculation method are proposed for bi-modulus sandwich composite structures in this paper. Furthermore, the accuracy of the proposed numerical calculation method of bi-module is verified by the experimental study of composite single-layer plate structure and sandwich composite cabin structure. The results show that the error between the improved numerical calculation method and the experimental measurement results is basically within 6%. Meanwhile, the numerical method based on field variables has wide application range and high convergence, and can be used to calculate complex marine composite structures.     

斜入射下水中隐身夹芯复合材料壳板结构声学设计

  目的  结合导流罩结构性能与声学性能设计矛盾的工程背景,  方法  对复合材料夹层板水下透声性能研究进行分析,并基于波传递理论推导出夹层结构透声性能计算公式。通过计算复合材料夹层平板透声性能算例,证明该方法与实验结果的一致性。  结果  结果显示：透声系数随频率的变化整体呈周期性,厚度会改变整体透声性能的周期变化规律;在夹层结构总厚度不变的情况下,改变夹层结构各层的比例对透声系数影响较小;在中间层不变的情况下,上、下表层的材料铺层顺序并不影响透声性能。  结论  所做工作对夹层结构设计具有一定的工程意义。     

近距爆炸作用下叠层复合夹芯板局部层裂破坏的理论研究

  目的  为了研究水下接触爆炸作用下泡沫夹芯板的耗能机理,  方法  首先,开展泡沫夹芯板的水下接触爆炸试验,获得其破坏模式,并比较等质量钢板与不同配置夹芯板的抗爆耗能效果;然后,基于数值仿真,分析泡沫夹芯板在水下接触爆炸作用下的损伤过程,模拟夹芯板的破坏模式,统计各部分的耗能率。  结果  研究结果表明,同等条件下夹芯板的抗爆耗能效果优于等质量实体钢板,且上面板薄、下面板厚时的耗能效果最优;夹芯板耗能率可较实体钢板提高约5%~8%。  结论  \t\t 根据试验和仿真结果,给出了泡沫夹芯板结构在水下接触爆炸作用下的耗能机理,可为舰船结构防护设计提供参考。     

金属夹芯板替换传统板筋结构的研究

为实现金属夹芯结构甲板对传统板筋结构甲板的替代,采用有限元软件计算金属夹芯结构的失效模式,找到替代传统加筋板强力甲板的金属夹芯结构腹板面板设计要求准则,并在满足该准则要求的前提下以4种优化原则为筛选条件,通过枚举法对比整体欧拉应力,得到最佳的金属夹芯结构替代方案。当以传统加筋板结构为替换对象时,根据减重和降低高度等工程需求,对金属夹芯基本单元的设计提出3种原则,以欧拉应力最大为前提,原则1为不减高、不减重,原则2为减重、不减高度,原则3为减高、不减重。以板厚度为10 mm,球扁钢型号为10#的加筋板为研究对象,分别得到各设计原则下的最优替代方案。所作研究有助于找到由金属夹芯结构替代不同尺寸传统加筋板的最佳方案。     

近距空爆载荷下钢板/聚脲复合结构动响应特性仿真

[目的]为探讨聚脲涂层对钢板抗爆性能的提升机制,掌握背涂聚脲层对钢板动响应特性的影响规律,对钢板/聚脲复合结构的抗爆动响应过程进行仿真研究.[方法]采用LS-DYNA软件对钢板/聚脲复合结构在近距空爆载荷作用下的变形/失效过程及吸能机制进行数值仿真,并与文献试验结果进行对比,验证数值仿真方法的合理性和准确性.在此基础上...     

钢板/凯夫拉层合结构爆炸响应数值分析

复合材料层合板在防护结构中得到了越来越广泛的应用,数值模拟是分析这类结构在爆炸载荷作用下动态响应的有效方法之一。基于LS-DYNA软件平台,建立凯夫拉纤维细观结构有限元模型,通过弹体侵彻试验验证该建模方法的正确性,进而采用所提出的建模方法建立钢板/凯夫拉层合板的有限元模型,实现钢板/凯夫拉纤维细观结构有限元模型爆炸响应的数值模拟。研究表明：纤维材料细观结构有限元模型可以较好地模拟弹体侵彻过程以及层合板在爆炸载荷下的破坏模式。计算结果对比显示凯夫拉层对钢板的抗爆性能可起到明显增强作用。     

冲击波和破片联合作用下I型夹层板毁伤仿真

基于非线性有限元软件LS-DYNA,通过在TNT炸药底部布置预制破片模拟战斗部爆炸产生的冲击波与破片联合作用载荷,计算3种TNT炸药当量下I型夹层板的毁伤响应,分析冲击波单独作用及冲击波与破片联合作用下I型夹层板失效模式的差异,研究夹层板芯层配置以及上、下面板厚度配置对其失效模式的影响,并与等效实体板的抗毁伤性能进行对比。同时,从吸能的角度分析不同载荷工况下I型夹层板的吸能特性。数值仿真结果表明:在冲击波与破片联合作用下,结构的毁伤程度远大于冲击波单独作用时;当载荷强度较小时,I型夹层板的抗毁伤性能优于等效实体板;载荷强度、载荷类型(冲击波单独作用或冲击波与破片联合作用)及上、下面板厚度配置对I型夹层板的失效模式有较大影响;从吸能特性来看,在冲击波单独作用下,上面板和芯层是主要的吸能构件,而在冲击波与破片联合作用下,上面板和下面板是主要的吸能构件。     

具有垂荡板的Spar平台流体力学特性的数值模拟研究

  目的  为提高第2代深水Spar平台的水动力性能,对其桁架结构进行方案设计与优化研究。  方法  首先,基于三维势流理论研究垂荡板的运动方程,通过莫里森公式对桁架部分进行水动力计算,并结合工程经验提出桁架结构（含垂荡板）的初始设计方案;然后,对Spar平台的垂荡板及桁架结构进行数值计算,针对不同参数下的桁架结构进行时域及频域分析,探究平台垂荡板的数量、厚度、间距和桁架横截面积、斜桁架数量对Spar平台水动力性能的影响,以进一步优化设计方案。  结果  研究结果表明：确定垂荡板数量需综合考虑Spar平台各自由度的运动;垂荡板厚度越薄,平台水动力性能越好;垂荡板间距应为提升平台垂荡和纵摇性能效率最高的值;桁架横截面积对平台的运动响应影响较大,斜桁架数量影响相对较小。  结论  研究结果可为深、远海油气钻井平台设计提供有益的指导。     

甲板开口围缘扁钢加强方式研究

针对开大长矩形口的甲板结构,在开口内缘加设围缘扁钢,可以降低角隅处的应力集中。采用参数化分析方法,基于结构有限元数值计算结果,研究不同甲板厚度、开口尺寸和角隅半径时,扁钢长、宽、厚尺寸参数对应力集中的影响,并分析其原因。研究结果表明,随着扁钢尺寸的增大,开口处应力集中系数为先减小后增大,合理地设计扁钢加强方式才能有效降低应力集中。通过参数化计算,提出开口处围缘扁钢加强方式优化设计思想,给出最佳扁钢宽度值、 厚度的设计公式及设计图谱,可以为甲板开口加强设计提供参考。     

钢质夹层桥梁防护装置的耐撞性能研究

通过对桥梁防护装置研究,提出四棱柱式与双折叠式夹层板桥梁防护装置,采用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元对其耐撞性能进行数值仿真,探讨两种夹层板防护装置的尺寸参数对其性能的影响.研究结果表明：经结构优化后四棱柱式夹层板的耐撞性能优于双折叠式;分别用两种夹层板替换传统钢质箱式防护装置的外围板,两种夹层板式防护装置的耐撞性能均优于传统钢质防护装置,而四棱柱式防护装置的性能最佳.