双舷侧复合材料船舶碰撞响应与损伤研究

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复合材料(Fiber Reinforced Plastics)以其优越的耐疲劳、耐腐蚀,不易附着等特性,正逐渐在船舶和海洋结构制造领域占据一席重要地位,在军用和民用方面都具有极高的应用价值。我国在该领域中的研究发展相对缓慢,常常受船体结构尺寸和制造技术的限制,目前对复合材料船体的碰撞研究还停留在传统的单舷侧结构或局部区域的平、曲面板结构。为了提高复合材料船舶的抗碰撞性能和安全性,参考双舷侧钢结构船设计一种新型的双舷侧FPR船舶,研究其局部区域和整体结构在不同碰撞工况下的响应特性和损伤形式。并从材料铺层设计和加强筋骨架空腔内设置填充材料的角度对其抗碰撞性能提出较为完善的改进措施,尽可能降低FRP船体的变形和损伤程度。首先针对双舷侧船体的局部结构进行FRP空腔板和泡沫铝夹芯板的低速冲击响应和损伤扩展形式研究。分别考虑结构尺寸、冲击质量、泡沫铝夹芯层厚度等变化因素对冲击计算结果的影响,得到了两种结构的低速冲击力、能量变化等响应特性,以及结构上、下蒙皮面板中的损伤状况,包括不同类型损伤的定量、定性分析结果和扩展形式。在完成对局部区域的分析后,紧接着研究了双舷侧FRP船体抗碰撞性能的优越性,和其在碰撞速度、碰撞船首形状和碰撞角度等多种变化工况参数下的碰撞响应状况和损伤特性。对比分析得到了双舷侧船体的撞击变形程度、冲击力变化趋势、碰撞速度变化率等响应结果,以及船体FRP铺层中的纤维和基体损伤程度、扩展形式等损伤特性。还考虑了双向帽型加强筋与面板之间的粘接失效对船体碰撞特性的影响,其增加了碰撞过程中的摩擦耗散能量大小,主要影响了各铺层中的基体拉伸损伤状况。最后,为了提高双舷侧FRP船体的抗碰撞性能和抗损伤特性,分别从FRP铺层设计和船体结构设计的角度出发提出多种优化改善措施,分别包括FRP铺层厚度和铺层角度的设计,以及在船体双向帽型加强筋空腔内设置泡沫铝填充材料等形式。经计算分析得到各种形式的优化效果和较为适用的碰撞工况,为实际工程应用提供简单的参考依据。
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