摘 要

复合材料以其优越的力学性能以及减重性能等日渐受到工程领域的重视，越来越多地被应用在船舶与海洋工程结构物制造中去。近年来，复合材料船舶大型化、超大型化的趋势对复合材料结构的力学性能提出了新的要求。目前，国内外学者对船用复合材料以及复合材料船体结构进行了大量的研究，但对于船用复合材料夹芯板的研究多集中于小型局部构件，对于船体大型结构未做更多考虑。因此，对复合材料船体大型结构的力学特性进行研究有着重要的意义和工程实用价值。

首先，讨论并分析了正交各向异性材料FRP层合板、各向同性材料PVC芯材的本构关系以及胶层的本构关系，采用渐进失效理论对船用复合材料夹芯板的强度问题进行分析。为对夹芯板失效模式和破坏机理进行分析，选择Shokrieh-Hashin失效准则并定义了相应的刚度退化模型，综合考虑夹芯板的多种失效模式制定了一套运用渐进失效理论来预测船用复合材料夹芯板极限强度的方法，以此来实现渐进失效分析。

然后，使用ABAQUS内置的Riks算法预测了船用复合材料夹芯板的极限载荷和极限位移，并分析了其失效模式和破坏机理，认为在横向均布载荷的作用下，夹芯板发生初始破坏时主要发生了层合板2方向纤维断裂失效和纤维基体剪切失效以及芯材的屈曲失效，此时夹芯板仍有一定的承载能力；随着载荷继续增大，多种失效模式同时发生，导致夹芯板发生最终失效；但在此过程中，胶层并未发生失效。

最后，对复合材料船舶的大型结构甲板板架的强度和刚度进行了分析，认为复合材料船舶往往是强度有余而刚度不足，且层合板内单层的铺设角度对其力学性能具有较大的影响。综合考虑了有限元单元的选择、网格尺寸等因素对数值计算结果准确性的影响，为复合材料船体大型结构有限元模拟时的单元及参数的选择提供了一定的参考。

关键词：复合材料夹芯板，渐进失效分析，极限强度，甲板板架，力学性能

Abstract

Composite materials have been paid more and more attention due to their superior mechanical properties and weight loss performance, and more and more used in the manufacturing of marine and marine engineering structures. In recent years, the trend of large scale and super large scale of composite ship has put forward new requirements for the mechanical properties of composite structures. At present, scholars at home and abroad have done a lot of research on marine composite materials and composite hull structure, but the research on marine composite sandwich panels is mostly concentrated on small local components, and not more consideration is given to large structure of ship hull. Therefore, it is of great significance and practical value to study the mechanical properties of composite hull structures.

First, the constitutive relation of the FRP laminates and isotropic material PVC core and the constitutive relation of the rubber layer are discussed and analyzed. The strength of the marine composite sandwich plate is analyzed by the progressive failure theory. In order to analyze the failure mode and failure mechanism of the sandwich panel, the Shokrieh-Hashin failure criterion is selected and the corresponding stiffness degradation model is defined. A set of methods to predict the ultimate strength of the composite sandwich board by progressive failure theory is formulated by taking into consideration the multiple failure modes of the sandwich panel. Effect analysis.

Then, the ultimate load and ultimate displacement of the marine composite sandwich panel are predicted by ABAQUS's built-in Riks algorithm, and the failure mode and failure mechanism are analyzed. It is considered that the failure of the 2 square fiber laminates and the fiber matrix shear failure are mainly caused by the initial failure of the sandwich plate. The effect and the buckling failure of the core material, the sandwich plate still has a certain bearing capacity at this time, as the load continues to increase, a variety of failure modes occur simultaneously, leading to the final failure of the sandwich plate, but in this process, the film does not fail.

Finally, the strength and stiffness of the deck plate of the composite ship are analyzed. It is considered that the composite ship is often less rigid than the stiffness, and the laminate method has a great influence on the mechanical properties of the composite ship. The influence of the selection of finite element element and grid size on the accuracy of numerical calculation is considered, which provides some reference for the selection of the elements and parameters of the finite element simulation of the large structure of the composite ship hull.

Key Words：sandwich composites, progressive failure analysis, ultimate strength, deck grillage, mechanical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 复合材料层合板国内外研究现状 3

1.2.2 复合材料船体强度计算方法 6

1.3 本文主要研究内容 8

第2章 复合材料夹芯结构研究的相关理论基础 9

2.1 复合材料夹芯结构 9

2.2 经典层合板理论 10

2.3 单层复合材料本构关系 11

2.3.1 正交各向异性材料本构关系 11

2.3.2 各向同性材料应力与应变关系 13

2.4 复合材料强度理论 14

2.4.1 正交各向异性板的强度 14

2.4.2 正交各向异性单向板的失效准则 15

2.4.3 复合材料渐进失效理论 18

2.4.4 刚度退化模型 19

2.4.5 渐进失效分析流程 20

2.5 本章小结 21

第3章 夹芯复合材料船体力学性能分析 22

3.1 夹芯板 22

3.1.1 复合材料夹芯板模型的建立 22

3.1.2 边界条件及载荷 23

3.1.3 有限元单元的选择 24

3.1.4 层合板建模方法 25

3.1.5 有限元模型 26

3.1.6 夹芯板失效 26

3.1.7 刚度退化模型 29

3.1.8 计算结果 30

3.1.9 破坏模式分析 32

3.1.10 小结 45

3.2 甲板板架 46

3.2.1 甲板板架模型的建立 46

3.2.2 边界条件及载荷 47

3.2.3 有限元计算 48

3.2.4 计算结果分析 56

3.2.5 小结 61

3.3 本章小结 62

第4章 总结与展望 63

4.1 本文的主要工作和结论 63

4.2 展望 64

参考文献 65

致 谢 67

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

船体结构工作在恶劣的环境条件下，承受腐蚀、复杂载荷，要求防火、隔热、具有良好的电磁特性，加之近年来人们对实现船舶高速化、低排放、延长寿命以及使用舒适性能的要求日渐提高，复合材料作为一种具有综合优势的结构材料得到人们极大的重视。

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理性质、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的新型材料^[1]。其质量轻、强度高、刚度大，并且具有抗疲劳、抗冲击、耐腐蚀、耐高温、减振、透电磁波、可设计等一系列优点，近几十年来，在航空航天、交通、建筑、机械、能源、信息、生物、医学等工程领域得到越来越广泛的应用^[2]。

尽管复合材料优点诸多、可应用领域广泛，但因其一些独特的性质，目前在工程领域上应用还存在如下几个问题：材料各向异性严重；材料性能分散性较大，在制造过程中难以保障其质量；某些原材料成本较高；有复合材料些韧性较差，不易进行机械等。但除了各向异性为其固有属性之外，其他缺点均可通过改变材料或组成方式等改进，因此在工程领域得以广泛地使用并且具有广阔的发展前景。

20世纪40年代，由于航空工业和其他行业的需要，复合材料在工业生产中的应用有了很大的发展。美国最早将玻璃钢应用于军用飞机雷达天线罩，复合材料雷达天线罩能够承受飞行时产生的空气动力载荷，在遭遇气候变化时又能保证产品稳定，并且能够透过雷达波，优势明显，开始逐渐取代传统的铝材和陶瓷等材料，在飞机制造领域得以广泛使用。1981年，美国研制出第一架全复合材料飞机，实现燃料消耗降低80%；1986年，Voyager公司研制的全复合材料飞机在经受了多次暴风雷雨之后成功实现了全程不着陆飞行。目前，复合材料已广泛应用于飞机机身、机翼、螺旋桨、雷达罩、整流装置及机舱等位置^[5]。