复合材料船体在垂直弯矩作用下的纵向强度分析
摘要
本文介绍了一种估算复合材料船体纵向强度的方法。典型的船舶配置具有主要的失效模式，即甲板受到压缩时与下垂力矩相关的失效。船体被模拟为复合板的组件。非线性有限元分析预测了加筋，材料破坏和加筋板的极限破坏，该分析基于具有更新拉格朗日公式和一阶剪切变形运动学的退化三维层状复合材料壳单元。根据弯曲，材料失效和加固板的极限破坏，船体的相应纵向强度来源于一种简化的方法。作为示例应用分析下垂的船体。
关键词：加筋复合板; 船体用复合材料;屈曲; 材料失效; 终极崩溃; 非线性有限元分析
1.介绍
近年来，低成本复合材料的改进设计，制造和机械性能已导致用于大型巡逻艇，气垫船，矿山猎人和护卫舰的复合材料的使用增加。 目前，全长度为80-90米的全组合舰艇，如果这种趋势持续下去，莫里茨预测，用于中型战舰的船体，例如120-160米长的护卫舰，可能会从2020年的复合材料中制造出来。
为了确保船体的安全设计，传统上，船体长度超过60米的船体的纵向强度必须在设计时进行评估。由于相对较低的刚度和相对较薄的结构，船体在复合材料中的纵向破坏通常比由相同长度的钢制成的船体梁容易发生。随着复合材料船体尺寸的大规模发展，有必要研究船体在复合材料中的纵向强度。
通常可以将复合材料船体视为一系列加劲复合板的组件。因此，了解加筋复合板的强度，可以估计复合材料船体的纵向强度。
Smith和Dow在理论和实验上研究了帽子加筋玻璃钢板的抗压强度。对代表船舶甲板结构的两块大型纵向加筋玻璃钢板进行了结构测试。测试结果与使用折板技术预测初始屈曲应力的理论预测以及预测板的非线性响应和后屈曲行为的非线性有限元方法相关。然而，由于缺乏合理的失败标准，两个小组的崩溃强度尚未预测。Stevens等人提出了压缩载荷下扁平，加筋，碳纤维复合板的后屈曲行为的理论和实验结果。非线性有限元方法被用来预测板的屈曲和后屈曲响应。使用有限元方法识别并预测了涉及加强筋脱粘的导致面板最终坍塌的失效机理。这些结果对于了解玻璃纤维板在相同条件下的行为很有用。
Dow将大型和小型实验研究的结果呈现给海洋结构用纤维增强复合材料的崩塌性能。在许多情况下，作者使用非线性有限元方法与所提供的实验数据进行关联。Kim等人提出了一个分析和实验研究加筋复合圆柱面板后屈曲行为。他们采用渐进式失效分析方法来预测使用最大应力失效标准的分层有限元方法内的失效特征和后屈曲极限荷载。Kong等人 通过基于最大应力准则和完全卸载破坏模型的渐进破坏分析方法，提出了石墨-环氧层压加筋板后屈曲行为的理论和实验结果。
总的来说，评估加筋复合板强度的最有效方法是非线性有限元法和逐步崩塌分析法，它通常基于材料破坏准则和降解模型。
为了评估船体的纵向强度，几种方法已经根据不同的方法开发和建立。考德威尔是第一个引入船体极限强度概念的人。考虑到构成船体的所有结构构件的屈服的影响，他引入了塑性崩溃时刻，并受到弯矩的影响。在考德威尔方法中，计算最终的船体梁强度时，不考虑个别构件在局部达到极限强度后的强度下降。一般来说，这并不代表结构成员真正的崩溃行为，但这是一个保守的预测。出于这个原因，考虑到模拟船体的崩塌行为时每个结构构件的强度降低（卸载）是非常重要的。
已经开发了一些数值方法来考虑结构构件在其极限强度之后的强度降低以及单个构件的坍塌时间滞后。Smiths提出了一种方法，其中横截面被分成由加强筋和附加镀层组成的小单元，并且在进行逐步崩溃分析之前推导出单个单元的平均应力 - 平均应变关系，这种关系解释了所有单元元素。虽然Smiths方法基于每个加筋板元素的有限元结果，但Gordo等人 用简单的分析公式模拟这种行为，并与实验工作进行比较，表明该方法是否合适。
这里报道的关于船体梁纵向强度的研究工作是在钢结构上进行的。对于复合材料中的船体，对纵向强度的研究工作很少，Chen等人提出了一种分析方法来预测复合材料船体的纵向强度，该方法基于简化的方法来表示加筋复合板的性能。
船体在复合材料中的结构行为通常由于材料的各向异性和脆性性质而变得复杂。船舶施工中采用的典型复合材料的杨氏模量通常远低于钢材，这意味着船体的甲板或船底可能易于屈曲。复合材料的典型脆性特性不仅可能引起船体局部区域的材料失效，而且还会导致面板残余的坍塌强度可以忽略不计。
由于面板残余的坍塌强度可以忽略不计，甲板上一个或两个面板的坍塌可能会导致整个甲板的坍塌，因为甲板和船体的底部通常由一系列类似的面板组成，这些面板的强度相似由船体弯曲引起的压缩载荷。通常，船的底部结构比甲板更强，因为舱的位置和推进系统的支撑导致需要更多的材料。这意味着一般来说，最弱的失效模式是甲板失效，这是本文的主要关注点。
基于上述基本思想和非线性有限元分析，提出了一种估算复合材料船体在屈曲，材料和极限破坏条件下纵向强度的方法。
2.加筋复合板的强度分析
在本节中，简要介绍了用于评估加筋复合板的屈曲，材料失效和最终坍塌的方法。
2.1有限元公式
根据虚功的原理，更新的拉格朗日公式和改进的牛顿-拉夫逊方法，建立了连续介质的增量方程。详细的描述可以在参考文献中找到。时间处单个元素的最终增量平衡方程由下式给出
(1)
其中是从时间到的节点增量位移矢量和元素中的迭代; 和 是时间t处的线性和非线性刚度矩阵。是在时的外部负载矢量，是等效于和时的单元应力的节点力矢量。在所有元素组装好后，非线性方程通过迭代修正的Newton-Raphson方法求解，直到实际的运动方程满足所需的公差。
退化的三维层状复合材料壳单元通过施加两个约束从三维实体单元退化：（1）中间表面的法线在变形后保持直线，但不一定与中间表面垂直，（2）应变的横向法向分量，因此应力被忽略。 由此产生的非线性公式允许大的位移和壳单元的旋转和小应变。这个元素的详细描述可以在参考文献中找到。
2.2加筋复合板的弯曲
加筋复合板的屈曲载荷定义如下
(2)
其中R是负载缩放，是方程的最小特征值
(3)
其中 , .
2.3加筋复合板的材料失效
为了识别加筋复合板的材料失效，本文采用蔡武标准。如果在任何高斯点加筋复合板上满足以下单一条件，则认为材料失效
(4)
其中表示以主材料坐标为参考的应力分量; 并且和是由材料强度组成的参数。
加筋复合板的材料失效载荷被定义为可导致加筋复合板材料失效的最小载荷。
2.4加筋复合板的最终崩溃
在参考文献中开发的逐步失效分析被用来评估加筋复合板的最终破坏，该分析基于有限的折扣方法，其中损坏的材料被假定用具有降级特性的等效材料代替。下面简要描述渐进故障分析中所用步骤的概要：
1）在每个负载步骤中，执行非线性有限元分析，直到达到收敛解。计算每个高斯点处每层中间的全局坐标中的应力。 然后这些应力转换为主要材料坐标。
2）故障指数F，定义在式（4）被计算。如果发生故障,（a）确定主导失效模式,（b）在该高斯点处减小相应的层板模量，（c）重新计算层板刚度并在相同负载下重新开始非线性有限元分析。
3）如果未发生故障，请继续下一个装载步骤。加筋复合板的最终破坏载荷被定义为加筋复合板的刚度矩阵变成单数的载荷。
与实验结果的比较已在参考文献中完成。结果表明，这里描述的分析方法可以为加筋复合板的强度估算提供足够的准确性。
3.船体在复合材料中的纵向强度
在本节中，考虑船体在复合材料中的三种失效模式，并分别建立相应的纵向强度。
船体在复合材料中的第一种失效模式是屈曲。 通常用于船体设计的GRP层压板的拉伸强度和抗压强度大约等于软钢的屈服强度，并且这种层压板的杨氏模量仅为钢的5-10％。因此，屈曲可能是船体在复合材料中的重要失效模式。
船体在复合材料中的第二种失效模式是材料失效。与钢材不同，用于船体的玻璃钢的性能通常是方向依赖性和脆性的。船体局部区域的材料失效可能随着纵向弯矩的增加而发生，这会影响结构性能或导致局部结构性失效。因此，有必要将材料失效作为船体在复合材料中的重要失效模式。
船体在复合材料中的第三种失效模式是极限破坏。由于极端的纵向力矩，船体的最终崩溃是最严重的失败
3.1假设
为了保持涉及可接受的计算量的足够的准确性，做出以下假设：
1）船体梁被假定为Euler-Navier梁。 受弯矩作用时，船的横截面保持平面，横向约束对纵向应力（泊松比效应）的影响可忽略不计。
2）纵向倒塌只发生在两个相邻的横向框架之间。
3）每个加筋复合板的失效被假定为单独和独立发生。
4）假定船体的质量是完美的，没有考虑局部损坏和不完善
3.2船体翘曲
根据假设1，由于船体梁弯曲，船体临界段的横截面保持平面，并且法向应变e在横截面的垂直方向上线性变化。那是
(5)
其中是横截面的瞬时弹性中性轴，可由式（6）; z是从的距离; Z是横截面的垂直坐标; 是横截面的曲率。
(6)
其中和表示第个元素的横截面积和杨氏模量; 是横截面元素的总数; 是元素的垂直坐标。
下一步是使用第2.2节中描述的公式计算每个面板的屈曲应变。然后将这些值与每个板的平均弹性船体梁弯曲应变的值进行比较，其中, 是从中性轴到面板中最远的加强筋测量，以确定哪个板首先弯曲。船体桁材的第一加强板扣的相应曲率由下式给出
(7)
其中代表横截面中加筋面板的总数和MIN（·）代表括号内变量的最小值（大小）。
然后，船体的屈曲强度被定义为
(8)
其中代表船体梁的弯曲刚度，是第个元素的惯性矩。
值得注意的是，本文中对船体屈曲强度的定义意味着一个假设，即任何加筋板在关键段横截面上的屈曲都会导致船体弯曲。 这个假设可能并不总是被验证，但是船体的估计屈曲强度是保守的。 在大多数船舶中，甲板上的大多数硬化板都具有大致相同的屈曲强度，底部的加强板也是如此。 甲板或底部加强板的失效可能会增加甲板或船底屈曲的可能性，这通常会导致船体弯曲。 因此，尽管这是一个保守的近似值，但由纸张估算的屈曲强度可能接近船体的实际屈曲强度
3.3船体材料失效
与3.2节类似，第一步是使用2.3节中所述的公式计算每个加筋板的材料破坏应变，当第一加筋板发生材料破坏时,相应的船体梁的曲率由下式给出
(9)
因此，船体在复合材料中的材料破坏强度被定义为
(10)
4.示例应用程序
为了说明船体在复合材料中的强度计算方法的实现，考虑在下垂下由纤维增强塑料构成的船体，并计算在屈曲，材料失效和极限破坏下的纵向强度
该船为纵向框架结构，中间船的横截面如图1所示，总长度为50米，宽度模型为9米，深度模型为6米。板的厚度在甲板和侧面分别为4.1mm和在舱底处为7.2mm。 图2显示了加固复合板在船中横截面的几何结构。甲板和侧面加筋板的尺寸如表1所示，表2给出了加固后板的加劲板的尺寸舱底。 该船由一种复合材料制成，材料性能如表3所示。
当船舶下垂时，甲板上的加劲板处于压缩状态，舱底处的加劲板处于受拉状态。 表1和表2显示，舱底硬化板的尺寸大于甲板的尺寸。可以肯定的是，甲板上加筋板的屈曲，材料失效和最终坍塌将在舱底硬化板之前进行。因此，第一步是将加劲板与甲板临界段分开（在本例中船中段被认为是关键段），并计算甲板加筋板的屈曲，材料失效和极限抗压强度。
甲板加筋板的屈曲，材料破坏和极限破坏应变通过第2节描述的非线性有限元方法进行估算。加筋板的有限元模型采用参考文献中描述的9节点二次层合复合材料壳单元进行开发。加筋板的网格如图所示，并且边界被简单地支撑用于加载的边缘并沿着两个未加载的边对称。
5.讨论
复合材料在船舶结构中的使用继续显示出日益普及，船体在复合材料中的尺寸不断增加，因此有必要研究船体在复合材料中的纵向强度。为此，本文开发了一种估算复合材料船体纵向强度的方法。
由于复合材料的特殊性，屈曲和材料失效可能是船体在复合材料中的重要失效模式。所提出的估算船体翘曲的方法仅仅是基于船体加强板的弯曲，因此有点保守。然而，估算值可能接近船体的实际屈曲强度，因为复合材料中大多数船体的甲板上的加强复合板通常是相同的，因此它们在相同的载荷水平下有可能全部失效。
在实际情况下，加筋板的坍塌不会立即减轻其整体负荷，如果随后施加的应变增加足够大，加筋板会提供一些进一步的阻力，但与残存的刚性板相比，它非常小。此外，加筋复合板的最终崩溃可以通过渐进非线性有限元分析准确估计。因此，该方法可以为复合材料船体纵向极限抗压强度的估算提供合理的精度。
通常，船体的整体坍塌是由特定增量内发生的一系列板块崩溃引起的，在大多数情况下，崩塌前
全文共5890字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[17019]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
