船舶异种材料连接结构载荷传递及破坏机理研究

Composite materials are mainly used to the structures above the main deck for large ships, so the joints between dissimilar materials (structures) are very important. The joints are a weak link of the structures in ships, the study shows that damage of structures in joints are about 60%~70% in engineering applications, moreover, the load transfer and damage mechanism in joints between dissimilar materials are complicated. Therefore, nonlinear numerical analysis coupled with Peri-dynamics are used to investigated the accumulation process of damage, crack expansion and damage failure modes of joints between dissimilar materials in ships, based on the framework of multi-scale method. The proposed method of damage analysis can be effectively applied to composite structure in ships and meet the demand of calculating analysis of structural characteristics in different scales. The analysis method is also effective to get stress distribution, accumulation of damage, crack expansion and load transfer of the typical joints under marine environment. The research also provides references and technical supports for composite materials in the application of large ships.

对于大型船舶来说，复合材料主要是应用在主甲板以上的非强力结构上，因此在异种材料（结构）之间进行连接是十分必要的。连接结构是船舶结构的薄弱环节，60%~70%的结构损伤出现在连接位置上，而且异种材料的连接位置的载荷传递和破坏模式十分复杂。因此本研究基于多尺度方法的框架下，采用非线性数值分析和近场动力学方法，探讨和解决异种材料连接结构损伤、裂纹扩展直至破坏过程中的损伤与失效机理问题。所提出的损伤分析方法能够有效地适用于复合材料船舶结构的损伤分析，满足不同尺度下结构特征分析的计算需求；能够有效分析船舶结构在海洋环境下异种材料连接结构响应，以及关键构件节点的应力分布，并在此基础上进行损伤累计、裂纹扩展和载荷传递机理研究，为复合材料在大型船舶结构的应用提供参考和技术支撑。

对于大型船舶来说，复合材料主要是应用在主甲板以上的非强力结构上，因此在异种材料（结构）之间进行连接是十分必要的。连接结构是船舶结构的薄弱环节，60%~70%的结构损伤出现在连接位置上，而且异种材料的连接位置的载荷传递和破坏模式十分复杂。本研究以复合材料船舶结构应用为工程背景，研究海洋环境下船舶连接结构的载荷传递特性和累积损伤。推导以键基和态基为基础的近场动力学模型和各向异性二维近场动力学参数的表达式，建立微观力学与宏观力学之间的关系。引入复合材料球形近场域技术到复合材料的近场动力学模拟中，完成复合材料的球形近场域模型建立。完成态-键基结合的近场动力学耦合模型理论推导，并完成态基与键基耦合模型的有效性验证和适用性分析；完成态-键基结合的近场动力学耦合模型理论推导及态基与键基耦合模型的有效性验证和适用性分析。利用有限元方法的计算效率和近场动力学方法在求解破坏问题时的优势，采用近场动力学方法与有限元方法进行混合建模，探讨和解决异种材料连接结构损伤、裂纹扩展直至破坏过程中的损伤与失效机理问题。所提出的损伤分析方法能够有效地适用于复合材料船舶结构的损伤分析，满足不同尺度下结构特征分析的计算需求，能够有效分析船舶结构在海洋环境下异种材料连接结构响应，以及关键构件节点的应力分布，并在此基础上进行损伤累计、裂纹扩展和载荷传递机理研究，为复合材料在大型船舶结构的应用提供参考和技术支撑。