舰船复合材料结构"L"型连接节点的疲劳性能研究
Study on Fatigue Property for L-type Joint of Composite Ship Structure
与复合材料层合板组成的结构件相比,芯材的加入在等强度情况下,减轻结构重量,增加结构刚度.在综合考虑结构强度,刚度和重量情况下,有效利用层合板的强度功能,可使所设计结构较好的承载大吨位外载.因此,大型水面舰艇上层建筑采用轻质夹芯结构复合材料建造已成为未来发展的趋势.复合材料连接接头作为复合材料结构中的主要部件,构造复杂并且承受静载荷与交变疲劳载荷的联合作用,而设计人员通常比较关注它的疲劳寿命以及损伤失效等问题.为了使得复合材料自身的潜力能够得到充分的发挥,一个良好的预测材料疲劳寿命以及失效损伤的方法就显得特别的重要,这也是工程界迫切需要解决的问题.论文全面论述了夹芯复合材料结构的受力特点,结合已有的疲劳寿命模型及渐变累积损伤方法的假设条件与适用范围,分析了复合材料在静载及交变载荷作用下的累积损伤失效过程,综合材料的局部损伤与整体失效等多因素影响,应用Hashin三维疲劳失效分析准则,对复合材料三个正交方向的材料损伤进行了判定分析,提出了材料性能阶跃性退化准则.采用损伤力学理论推导了整体结构损伤状态参量表达式,在对各损伤参数进行可行性分析的基础上,建立了以剩余刚度为表征参量的复合材料结构的疲劳累积损伤状态量D的失效准则,最终提出了复合材料结构疲劳累积失效分析过程和寿命预测模型.以夹芯复合材料板的疲劳试验为基础,以声发射裂纹探测技术对疲劳裂纹扩展及累积损伤过程进行了无损检测,实现了全寿期内裂纹发生、扩展直至最终破坏的整个疲劳累积失效过程进行追踪,扩展了适用于夹芯复合材料结构疲劳渐变累积损伤过程的材料性能渐降模型,夹芯复合材料结构疲劳累积失效分析依据交变载荷下材料性能渐降准则及累积损伤追踪过程的数据规律,本文通过寿命预测模型推导了夹芯复合材料板在受载路径下,结构疲劳寿命的预测力学模型.利用夹芯复合材料板的疲劳寿命预测模型和累积损伤模拟路径规律,推广到"L"型夹芯复合材料连接接头的疲劳特性分析过程,并同步开展了"L"型夹芯复合材料连接接头的疲劳试验.基于载荷及时间增量原理,结合累积损伤过程中的应力-应变分析与最小二乘法,根据试验结果,拟合得到了各主方向上正则化疲劳寿命的表达式,并引入了结构构型系数ξ,再进一步完善了夹芯复合材料结构"L"型连接接头在疲劳渐变累积损伤过程中的材料性能渐降模型,最终提出了舰船典型夹芯复合材料结构"L"型连接接头的疲劳累积损伤模型及疲劳寿命预测模型.
- 作者：
- 罗白璐
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 专业名称：
- 船舶与海洋结构物设计制造
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 朱英富
- 中图分类号：
- U661.4；U668.5
- 关键词：
- 夹芯复合材料；连接接头；疲劳强度；累积损伤；失效模式
- Sandwich composite material; Connection joint; Fatigue strength; Cumulative damage; Failure mode;