轮印载荷下I型夹层板架结构静强度力学性能试验研究

现代舰船的直升机起降时会通过轮胎将载荷作用于飞行甲板的板架上,这种载荷通常被称为轮印载荷。除此之外,相对于传统加筋板结构形式,I型夹层结构具有轻质、高比强度等优点,是一种可以应用于船舶飞行甲板的新型结构形式。本文针对轮印载荷局部重载和位置不确定的特点,设计了合理的试验贴片方案及加载程序,并将试验数据与理论值对比,分析误差原因,研究I型夹层板架结构的板格在四种典型位置轮印载荷作用下的静强度力学性能。试验结果表明,夹层板架结构在载荷附近测点的应力水平较大,同时其上面板沿船宽方向的弯曲应力大于沿船长方向的弯曲应力,而下面板2个方向的弯曲应力特性与上面板相反。这些结论对于I型夹层板架结构在轮印载荷下的力学性能研究具有重要意义。     

轮印载荷作用下波纹型夹层板格强度特性分析

针对轮印块状载荷下的波纹型夹层板格结构,建立了应力分析计算方法。该方法基于Mindlin-Reissner板理论的夹层板格整体弯曲计算和经典板理论的芯材间上面板的局部弯曲计算,并将二者叠加得到轮印载荷下夹层板格总的弯曲特性。开发了基于MATLAB的计算程序,能方便地调整夹层板格尺寸及轮印块载荷的位置、尺寸和载荷值,计算相应的板格变形和各特征点应力值。讨论了结构尺寸参数、轮印载荷尺寸参数等对上面板局部弯曲应力及板格整体弯曲应力的影响特性,为这类结构的设计和优化提供有益的参考。     

轮压载荷下夹层板直升机平台结构响应特性

以直升机平台甲板为研究对象,基于数值仿真方法,考虑弹性工况和塑性工况,分别采用动态冲击、轮胎准静态压载、刚体准静态压载和均布压载4种处理方式模拟轮压载荷,分析夹层板上面板、夹芯层和下面板的响应特点,讨论载荷处理方式对轮压压力分布和结构响应的影响规律,并初步探讨4种载荷处理方式间的内在关系。研究结果表明:在轮压载荷作用下,板架产生高应力、高变形的局部结构响应,采用动态冲击、轮胎准静态压载和均布载荷3种处理方式均能较好地反映夹层板响应,这3种载荷处理方式之间存在联系,轮压载荷可通过等效处理达到一定程度的简化。     

轮压载荷下夹层板直升机平台结构响应特性

以直升机平台甲板为研究对象,基于数值仿真方法,考虑弹性工况和塑性工况,分别采用动态冲击、轮胎准静态压载、刚体准静态压载和均布压载4种处理方式模拟轮压载荷,分析夹层板上面板、夹芯层和下面板的响应特点,讨论载荷处理方式对轮压压力分布和结构响应的影响规律,并初步探讨4种载荷处理方式间的内在关系。研究结果表明:在轮压载荷作用下,板架产生高应力、高变形的局部结构响应,采用动态冲击、轮胎准静态压载和均布载荷3种处理方式均能较好地反映夹层板响应,这3种载荷处理方式之间存在联系,轮压载荷可通过等效处理达到一定程度的简化。     

加筋板轮印载荷分布特性的试验与数值分析

  目的  旨在探究轮印载荷在加筋板上的分布特性。  方法  首先开展不同载荷工况下的加筋板轮压试验,获取载重轮胎与铝合金加筋板的接触面积和接触压力的变化形式,总结轮印载荷的基本分布规律。其次,通过试验数据和结果分析提出轮印载荷分布特性的二次多项式表达形式,并给出不同载荷下多项式参数的确定方法。最后,对比分析加筋板数值仿真与试验的应力响应结果。  结果  获得了载重轮胎在甲板上的载荷分布规律和表达方法。验证了所提轮印载荷分布形式的合理性。  结论  研究有助于对轮印载荷分布特性的理解,并对工程实际应用具有一定的参考意义。     

复合材料夹层板架结构在组合载荷作用下的极限强度研究

随着复合材料船舶建造尺寸越来越大,结构极限强度评估具有重要意义。本文基于后屈曲理论,通过渐进失效分析方法对复合材料夹层板架结构在组合载荷作用下的极限强度展开研究。首先通过与相关复合材料层合板试验及数值仿真结果进行对比,验证了本文渐进失效分析方法的准确性。然后,以复合材料夹层板架结构作为船舶上层建筑并考虑其受力特性,对具有初始缺陷且在轴向和侧向压力同时作用下的复杂受力状态的夹层板架结构进行计算,得到夹层板架结构的首层失效强度以及最终承载能力,并对失效位置做出预报。     

多轮印载荷下车辆甲板板厚设计研究

  目的  船舶上装载物的搁置脚与甲板之间存在着复杂的接触关系,不能简单地将搁置脚载荷视作均布载荷来处理。为探讨在搁置脚载荷作用下船舶甲板结构的压力分布,  方法  以某大型装备的搁置脚为例,首先采用有限元方法对其进行非线性接触数值计算,并分析在甲板板上的压力分布特征。然后,通过实验验证搁置架与甲板的接触力分布规律,并在此基础上提出一种运用等效轮印载荷代替搁置脚载荷的简化计算方法,以此将复杂的非线性接触计算转化为线弹性计算。  结果  结果表明,搁置脚与甲板之间的接触力主要分布在强横梁处和搁置脚前端,其中搁置脚前端的接触力使甲板板具有较大应力,该应力约占总载荷的25%;实验结果与数值计算结果吻合较好。  结论  所提简化计算方法对此类甲板设计及强度计算具有较好的实用性。     

多轮印载荷下车辆甲板板厚设计研究

各主要船级社规范针对车辆甲板的板厚公式一般基于单轮印给出,多轮印情况下多用等效的方式处理。本文首先根据规范的规定,总结出两种具有代表性的将多轮印载荷等效为单轮印的方法,然后基于线弹性理论,利用数值模拟手段对这两种等效方法在某典型轮印和板格尺寸下的情况展开了研究,并对这两种方法的合理适用性以及安全水平进行了讨论。     

船用夹层板芯材的动态力学性能实验研究

基于分离式霍普金森压杆实验装置,对船用夹层板系统(SPS)的芯材-聚氨酯弹性体的动态力学性能进行了实验分析。在实验满足一维、均匀性的前提下,计算得到了聚氨酯弹性体在不同应变率下的应力—应变关系,讨论了试样尺寸对结果的影响;考虑聚氨酯弹性体不同于金属的动态力学性能,以及准静态力学性能与动态力学性能的差异,确定运用朱—王—唐(ZWT)方程描述聚氨酯弹性体的本构关系,能够准确反应聚氨酯弹性体的非线性粘弹性特性,拟合结果与实验结果吻合较好。     

中高速弹体侵彻下泡沫铝夹芯结构抗侵彻性能实验研究

为研究泡沫铝夹芯结构各组成部分在中、高速弹体侵彻下的抗侵彻性能及破坏机理,分别开展泡沫铝芯材(I)、前面板与芯材(II)、芯材与后面板(III)以及泡沫铝夹芯结构(IV)4种靶板在中、高速弹体侵彻下的弹道冲击试验.分析夹芯结构的破坏模式、侵彻过程和抗弹性能.结果表明:在中、高速弹体侵彻下,泡沫铝芯材发生了胞壁的绝热剪切和撕裂破坏,存在前面板的泡沫铝芯材还发生了胞壁压实坍塌;前面板发生绝热剪切破坏,弹速较低时,弹孔周围将产生明显的碟形弯曲变形,板厚较大、弹速较高时弹孔边缘存在开坑唇边;后面板发生了局部碟形弯曲-贯穿破坏,板厚较小时,后面板还产生了花瓣开裂.泡沫铝芯材吸能较小,泡沫铝和面板组成的夹芯结构吸能明显提高.面板的存在提高了靶板的抗弹性能,前面板对靶板的抗弹性能影响大于后面板的影响.同一种形式的靶板在高速弹体侵彻下的抗弹性能明显优于中速弹体侵彻下的抗弹性能.     

近场水下爆炸作用下金属夹芯结构的动响应分析

金属夹芯结构具有质量轻、吸能良好和抗冲击等优点,被广泛用于船体板架设计。在金属夹芯结构形状设计方面,不同形状的金属夹芯结构的抗冲击性能有着很大的差异。针对三种不同的金属夹芯形状,采用有限元软件ABAQUS,模拟三种金属夹芯结构的抗冲击性能。通过对比三种形状的夹芯面板中心位移以及速度的变化规律,发现对于质量相同的夹芯结构,三边形夹芯结构具有更强的抗冲击性能。另外,研究不同金属夹芯结构能量时历曲线,得出六边形夹芯结构在吸能效果方面最好。     

轮印载荷下多跨梁最危险工况分析与优化

多种轮印载荷工况作用于船舶多跨梁结构时,找到最危险工况并进行结构优化设计,对于船舶结构的安全校核与降低结构重量有重要意义。提出一种将遗传算法与有限元方法相结合,以多跨梁上轮印载荷的布置位置为设计变量,载荷间的间距大小为约束条件,每一跨的最大弯矩和最大剪力为目标函数,求解任意多跨梁上有多种轮印载荷作用时最危险工况的方法,并根据最危险工况分析的结果调整支座位置,降低多跨梁最大弯矩,并进一步进行构件尺寸的优化设计。计算结果表明：基于提出的多跨梁优化设计方法,能找到每一跨应力满足强度要求的剖面积最小的构件尺寸,且构件尺寸的变化对最危险工况时的最大弯矩与轮印载荷位置几乎没有影响。调整支座位置的优化方案,与支座初始位置方案相比,最危险工况时的最大弯矩降低22.64%,重量降低10.55%,因此支座位置的调整,能有效降低最危险工况时的最大弯矩,从而达到降低多跨梁重量的目的。     

轮印载荷下多跨梁最危险工况分析与优化

  目的  快速、准确地对大量装载方案进行分级,获得对结构设计要求相近或决定结构设计的装载方案,对装载甲板多跨梁结构设计具有重要意义。  方法  提出一种轮印载荷下多跨梁装载方案分级方法。对于给定的多跨梁结构与装载对象,首先整理出可能的装载方案,通过轮印载荷下多跨梁最危险工况分析方法,求解每种装载方案下多跨梁的最大弯矩、最大剪力和最大挠度;然后将这些计算结果作为装载方案的样本特征,通过XB指数与模糊C均值（FCM）算法,将装载方案进行分级。分析三跨梁和四跨梁跨距比、惯性矩比对分级结果的影响。  结果  计算结果表明,不同结构方案多跨梁分级结果并不完全一致,但等跨等刚度多跨梁分级结果用于不等跨距或变惯性矩多跨梁的结构响应计算,与实际最危险工况结果间的误差小于2%。  结论  分析的多轮印载荷下多跨梁装载方案之间的关系可为多轮印载荷下装载甲板结构设计提供参考。     

Experimental and numerical investigations on laser-welded corrugated-core sandwich panels subjected to air blast loading

Experimental investigations on the laser-welded triangular corrugated core sandwich panels and equivalent solid plates subjected to air blast loading are presented. The experiments were conducted in an explosion tank considering three levels of blast loading. Results show that the maximum deflection, core web buckling and core compaction increased as the decrease of stand-off distance. Back face deflections of sandwich panels were found to be nearly half that of equivalent solid plates at the stand-off distances of 100 mm and 150 mm. At the closest stand-off distance of 50 mm, the panel was found to fracture and fail catastrophically. Autodyn-based numerical simulations were conducted to investigate the dynamic response of sandwich panels. A good agreement was observed between the numerical calculations and experimental results. The model captured most of the deformation/failure modes of panels. Finally, the effects of face sheet thickness and core web thickness on the dynamic response of sandwich panel were discussed.     

深水静压下混杂夹芯复合结构形变及强度特性

针对混杂夹芯复合结构的典型结构和承载受力特征,以某水下平台附体结构为背景展开研究.首先,设计试验模型并进行耐压承载特性试验.然后,用Abaqus建立有限元分析模型,将仿真计算与试验结果进行对比,验证仿真分析的有效性,并在此基础上进一步探讨深水静压载荷作用下该结构各主要组成构件的变形及应力分布特征规律.最后,以钢质框架与表层蒙皮相交应力集中区域的细节设计问题为对象,综合评价了2种T型连接设计方案的合理性与可行性.结果显示,芯材弹性模量在4~8 GPa时可以避免蒙皮和芯材出现严重的应力集中,可为该类结构的后续工程设计提供参考.     

空中爆炸载荷下PVC泡沫夹芯板动态响应分析

基于 Abaqus/Explicit,计算分析 PVC夹芯板在空爆载荷作用下的动态响应,考察夹芯板上面板厚度、芯层高度及炸药当量对其抗爆性能的影响,并从能量吸收的角度分析不同工况下 PVC夹芯板的吸能特性。数值结果表明夹芯板的动态响应对其结构配置比较敏感,增加上面板厚度及芯层高度可以明显减小下面板挠度,从而提高结构的抗爆性能。夹芯板的总体吸能量与上面板厚度密切相关,与芯层高度没有明显关联,减小上面板厚度可以提高结构的总体吸能量;在相同工况下,增加上面板厚度可以提高上面板吸能占比,增加芯层高度可以提高芯层吸能占比。在炸药当量较小时,夹芯板变形以上面板局部弯曲及芯层压缩为主;当炸药当量较大时,夹芯板变形以整体弯曲变形为主。研究结果对PVC夹芯板抗爆性能的优化设计具有一定的参考价值。     

钢板与砂泥岩混合填土接触面力学特性试验研究

基于直接剪切试验原理,研究了钢板与砂泥岩混合填土接触界面的剪切力学特性。试验中,钢板采用Q235钢材制作;砂泥岩混合土料采用弱风化砂岩和泥岩的破碎颗粒料按照5种不同的颗粒级配曲线以质量比8∶2配制。试验结果表明,钢板与砂泥岩混合填土接触界面的剪切应力-位移曲线可用双曲线拟合;抗剪强度可用摩尔-库伦强度准则来描述;抗剪参数粘聚力值随土体特性粒径d10,d30,d50,d60,d90的增大呈先减小后增大的抛物线型变化;摩擦角值随土体特性粒径d10,d30,d50,d60,d90的增大呈先增大后减小的抛物线型变化;粘聚力和摩擦角与土体不均匀系数和曲率系数的相关性不明显。     

夹芯复合材料螺旋桨性能流固耦合数值研究

与传统层合复合材料结构相比,夹芯复合材料结构轻质、高强,结构可设计性强,可实现多材料和多功能的一体化集成。本文基于螺旋桨结构水动力边界条件,以INSEAN E779A螺旋桨为研究对象,采用双向流固耦合仿真方法研究夹芯结构螺旋桨的水动力性能和结构响应特性,并与金属材料螺旋桨、传统层合结构螺旋桨进行对比,分析不同夹芯构型与螺旋桨水动力性能的关联性。结果表明:在中高进速系数条件下,螺旋桨结构形式对推进效率的影响较大,夹芯复合材料螺旋桨在实现轻量化的同时,其推进效率要优于同工况下的层合复合材料螺旋桨与金属螺旋桨;在中低进速系数条件下,夹芯复合材料螺旋桨的水动力性能与夹芯构型有着重要联系,随着夹芯体积比的减小,整体质量变大但推进效率得到一定提升。