CFRP加固极地船-冰碰撞结构响应研究

作     者：倪海祥 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张婧

授予年度：2022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：CFRP 船-冰碰撞 本构模型 损伤判据 碰撞响应 

摘      要：极地丰富的能源储备致使极地的商业航线迎来快速发展,各国争相进军极地,极地地区船-冰碰撞事故日益成为关注的焦点,为使船体舷侧在受到海冰冲击时,具有更好的抗撞性能,本文采用CFRP对船体舷侧进行加固,展开CFRP加固后的船舶与冰碰撞下的结构响应研究,成果能够提高极地船舶设计中船体结构的安全性和经济效益。本文针对极地船-冰碰撞的动态响应过程,考虑材料特性对船体的凹陷损伤以及海冰的损伤变形展开全面的深入研究,为了较为准确地模拟极地地区船-冰碰撞的真实场景和整个过程,本文分别从钢的低温动力本构关系、胶层的本构模型以及损伤判据和CFRP的本构模型以及损伤判据三个方面进行研究,建立了适用于碰撞场景的有限元模型,并在此基础上,将CFRP层合板粘贴在船体加筋板构件上,用于船体舷侧的加固,分析CFRP层合板加固加筋板抗撞击性能的提升效果,进一步地,将CFRP层合板应用于船体舱段的舷侧加固,并结合多组典型船-冰碰撞工况,分析CFRP层合板在不同碰撞载荷下,对船体舷侧结构抗撞击性能的提升效果,具体的研究内容如下:(1)利用二次开发技术,结合三维Hashin损伤判据,编译了Vumat子程序,建立了CFRP层合板的碰撞模型,对CFRP层合板的材料属性对结构响应敏感性分析;在不同温度下以不同初始动能的撞击CFRP层合板,发现温度降低后,CFRP层合板的结构强度和抗撞击性能降低,随着载荷的增大,温度的影响越明显。(2)基于动静载荷下的两组试验结果,分别验证分析了胶层内聚力单元采用基于能量的损伤初始判据下的线性退化和指数退化以及基于位移的损伤判据下的线性退化和指数退化四种损伤演化方式的适用性;建立冲头撞击CFRP加固加筋板的碰撞模型,研究不同材料属性的变化下胶层的碰撞响应,对CFRP各个材料参数进行敏感性分析。(3)研究冰体碰撞CFRP加固加筋板的结构响应,通过对比不同海冰本构模型,选择出合适的本构模型,进行低温下EH36钢的力学性能试验,研究低温以及应变率效应对EH36钢的影响,基于EH36钢的低温试验,对海冰撞击CFRP加固加筋板进行碰撞响应研究,总结出了板厚对CFRP层合板抗撞性能的影响关系。(4)基于CFRP加固加筋板在抗撞击性能上的优越表现,进一步地应用于船体舱段的加固,以极地某油船为例,分别考虑不同浮冰厚度、不同碰撞速度和不同物理性质的浮冰碰撞CFRP加固船体舱段,设计了三种碰撞方案,分别从损伤云图、碰撞力、凹陷变形和能量四个方面进行分析。