基于近场动力学的舰船复合材料结构冲击损伤研究

作     者：赵天佑 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨娜娜

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：复合材料 近场动力学 破片冲击 爆炸冲击波 损伤 

摘      要：现代海洋战争中,舰船面临的威胁态势愈加复杂,其中鱼雷和导弹等反舰武器爆炸产生的高速破片和冲击波载荷对舰船的防护性能提出了严酷的考验。先进的复合材料由于重量轻、比强度和比刚度大、抗冲击性好逐渐成为船舶材料的新选择。但是复合材料的各向异性特征使得其损伤形式较传统的各向同性的金属材料更为复杂,因此如何对复合材料结构的损伤断裂行为进行准确的分析和预测一直是工程和学术领域的难题。目前常用的经典介质力学方法在解决损伤断裂问题时在位移场不连续位置存在奇异性,而新兴的无网格方法—近场动力学方法,在本构模型中采用积分形式代替了传统经典力学的本构模型中的偏导数项,且其本构模型本身就包含了损伤定义方法,因此采用该方法能够很好的模拟复合材料结构在破片冲击作用下和冲击波载荷作用下的损伤情况。本文首先对近场动力学方法的历史发展过程和研究现状进行了梳理,着重介绍了该方法在冲击领域的应用和发展现状。随后对近场动力学方法的运动方程、变形函数和边界约束条件进行了详细的推导,并在此基础上介绍了适合于复合材料分析的“键基近场动力学模型。基于“键的近场动力学模型,编写了复合材料单层板、层合板和加筋板的冲击计算程序,并通过算例将其弹性阶段的响应与有限元计算结果进行对比,并将部分损伤结果与实验结果进行对比,验证了程序的有效性。最后采用上述的方法分析了用于舰船防护的复合材料层合板和加筋板结构在高速破片冲击下的损伤破坏模式以及破片穿透结构后的剩余速度情况,并且综合考虑了破片的速度和几何形状、层合板的铺层方式、加筋板的筋条尺寸和破片相对筋条的冲击位置对于结构的损伤模式和破片剩余速度的影响。随后,分析了水下爆炸冲击波载荷作用下的复合材料层合板和加筋板结构的损伤及变形情况,考虑了爆炸冲击因子、纤维性能与铺层方式、筋条尺寸以及分布距离对冲击波作用下的复合材料结构的损伤及变形情况的影响。通过上述模拟分析给出一些具有工程实际意义的结论。