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砰击荷载下复合材料高速船结构设计与船体制造技术研究

作　者: 施军
导　师: 赫晓东
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 高速船艇分层规律砰击荷载结构设计真空辅助成型工艺
分类号: U663
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

复合材料高速船艇发展可以满足三个层面的需求：高速航运、私人海上运动的发展需求；海上能源开发、缉私、求助等工作需求；沿海和临海军事巡逻及海上应急突发事件的需求。尽管复合材料高速船艇应用前景广阔，但国内外现行规范只是对结构设计提供要求，无法保证结构设计最优性。国外几家快艇设计公司也不愿公布船艇结构设计核心技术。以上原因促使我国复合材料高速船艇发展必须依靠自有技术，因此本文开展了复合材料高速船艇结构设计与建造研究工作。考虑到30节以上船艇主要承受砰击荷载，论文结构设计主要设计荷载为砰击荷载。基于内聚力理论模型，采用有限元分析技术对复合材料层合板分层规律进行研究。在计算过程中，研究了层合板结构分层发生位置及先后顺序规律。而且，层合板铺层厚度、铺层角度以及树脂剥离强度对分层影响也进行了研究。提出了整船复合结构设计概念，并对局部砰击结构进行了研究。首先利用有限元计算，评价了三种船体结构形式，静态力学研究表明：泡沫夹层结构性能最优。按照结构设计，建造1米长实船试件，在重量一致前提下，应用跌落试验对结构抗砰击性能进行研究。结果表明：泡沫夹层结构抗砰击性能最优，与静态力学分析结果一致。同时，芳纶与玻纤编织的混编纤维可以增强结构抗砰击性能。通过结构分层研究表明，骨材与船板人工二次粘结使结构性能不连续，最终导致了横骨材附近大量分层破坏。研究了船体真空辅助成型工艺过程，对工艺中树脂流动形式、流动速度以及缺陷产生原因进行分析。根据树脂流道，合理设计进/出胶口位置，实现了泡沫夹层板与骨材一次性灌注。根据固化成型工艺力学--固化动力学模型和热-化学模型，利用有限元获得了船体截面在固化周期内温度场与固化度场分布。结合热-弹性力学模型，实现了船体在固化成型全过程的温度场、固化度场、应力场以及变形稳定性分析。根据水动力学理论，通过船模水池试验数据，最终获得优异船体水动力线型，完成了船体结构设计与制造。带有断级的实船截面跌落试验表明，断级设置不仅改善了船体水动力学性能，而且提高了船体抗砰击荷载能力。实船试航的速度测试验证了复合材料快艇具有70Kn航速，创造了中国最快的船艇记录。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-36
  1.1 研究背景及意义  13-16
    1.1.1 背景  13-15
    1.1.2 课题来源与背景  15-16
  1.2 高性能船艇发展  16-21
    1.2.1 高速深 V 船型  17-18
    1.2.2 滑行艇  18
    1.2.3 多体船和复合船型  18-21
    1.2.4 水翼艇  21
  1.3 复合材料船艇发展  21-30
    1.3.1 复合材料船体  21-24
    1.3.2 复合材料船艇构件  24-25
    1.3.3 船体成型工艺  25-28
    1.3.4 船体工艺力学  28-30
  1.4 船体砰击问题国内外研究现状  30-33
    1.4.1 船体砰击理论进展  30-31
    1.4.2 砰击数值计算  31-32
    1.4.3 砰击试验研究  32-33
  1.5 复合材料冲击损伤进展  33-35
  1.6 本文主要研究内容  35-36
第2章复合材料层合板内聚力分层研究  36-59
  2.1 引言  36
  2.2 相关理论  36-46
    2.2.1 复合材料理论  37-42
    2.2.2 能量释放率  42-44
    2.2.3 内聚力本构模型  44-46
  2.3 层合板分层研究  46-58
  2.4 本章小结  58-59
第3章船体结构抗砰击设计与性能研究  59-81
  3.1 引言  59
  3.2 船艇复合结构设计  59-60
  3.3 砰击压力预测公式  60-62
  3.4 砰击结构设计  62-64
  3.5 砰击结构有限元评价  64-70
  3.6 砰击结构试验研究  70-79
    3.6.1 砰击船体截面准备  70-75
    3.6.2 砰击船体实验  75-79
  3.7 实船跌落实验  79
  3.8 本章小结  79-81
第4章船体成型工艺研究  81-105
  4.1 引言  81-82
  4.2 真空辅助成型工艺  82-91
    4.2.1 理论模型  82-84
    4.2.2 工艺实验准备  84-85
    4.2.3 树脂流道分析  85-86
    4.2.4 结果分析  86-89
    4.2.5 速度分析  89
    4.2.6 缺陷分析  89-90
    4.2.7 骨材与面板成型  90-91
  4.3 复合材料固化成型  91-98
    4.3.1 固化动力学模型  92-93
    4.3.2 热-化学模型  93-95
    4.3.3 固化成型模拟  95-98
  4.4 变形稳定性计算  98-104
    4.4.1 残余应力公式  98-101
    4.4.2 变形稳定性分析  101-104
  4.5 本章小结  104-105
第5章超高速艇的结构设计与轻量化制造方法研究  105-124
  5.1 引言  105
  5.2 复合材料结构砰击失效分析  105-110
    5.2.1 动力学方程  105-107
    5.2.2 复合材料砰击失效准则  107-110
  5.3 70Kn 快艇设计制造  110-122
    5.3.1 船形设计技术  110-112
    5.3.2 构动力瞬态分层分析  112-118
    5.3.3 表面桨推进技术  118-119
    5.3.4 断级截面试验评价  119-121
    5.3.5 船体制造轻量化技术  121-122
    5.3.6 实船测试  122
  5.4 本章小结  122-124
结论  124-126
参考文献  126-136
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  136-139
致谢  139-140
个人简历  140

砰击荷载下复合材料高速船结构设计与船体制造技术研究

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