移动式近海基础的柔性连接器的概念

摘要

为了减少在一个5000英尺长的开发移动式近海基地连接半潜式平台群的大型负载, 一个兼容的连接器概念发展起来。这个概念使用电缆的技术由NASA标准和基于使用3 d Through-the-Thicknesst编织增强弹性管连接器的元素。通过选择性地放置和定向复合管道连接器可以提供刚度设计自由度保持跑道平滑的关键(如相对胀或辊),允许在其他更大的位移自由度(如相对音高或激增)。两个不同的连接器设计:four-degree-of-freedom(4自由度)连接器甲板附件和6自由度的连接器连接在浮筒的水平。工作提出了包括材料特性测试,包括一些疲劳的研究和本构模型的发展完全理解材料的行为。材料的本构模型包括聚氨酯弹性体基质的材料非线性和几何非线性,包括纤维重新定位在加载。低端连接器设计验证测试进行分析技术用于预测连接器性能。六种不同的测试配置进行了不同加载条件和连接器配置,和良好的实验和分析结果之间的相关性被发现。满量程连接器的性能是通过分析测定，并掺入缩放MOB设计的fi有限元模型。柔性连接器的连接器的负载与用于两个不同的船体结构及各种海况和标题刚性或铰链型连接器比较，并示出，以减少在常规设计的载荷。2000爱思唯尔的科学有限公司版权所有。

关键词：移动的海上基地;本构模型;复合材料;标准连接器;材料特性;三维编织

1． Introduction

移动式海上基地（MOB）是一种多用途，浮动物流设施，可用于进行飞行，维修，供应和其他军事行动的支持[1,2]。该MOB是半潜式模块具有大约5000英尺的总长度，以允许飞机着陆在各种尺寸达到C-17环球霸王货机的组件。用于连接相邻的模块的设备的设计是该MOB的操作是至关重要的。已经显示，对于半潜式单元之间的刚性连接，在连接器中产生的轴向拉伸载荷是大约2.8亿磅海况8风暴[3]。为了减少连接的负载的大小，柔性连接器可以被用于允许相邻的模块之间的一些相对运动，同时保持该MOB甲板的所需的连续性。

这项工作的基本目的是开发用于使用弹性该MOB的柔性连接器系统，编织复合材料作为用于灵活设计的基础的概念。这个概念是，然后再通过分析评估，以确定其可行性。在连接器的概念是不特定于特定的MOB的配置，但是作为待掺入到任何给定的MOB设计，可以容易地定制的通用设计。

利用美国宇航局NASA标准[4]开发兼容的电缆连接器技术，采用弹性复合管的一个概念，开发了可定制的MOB连接负载。分析技术用于确定这些兼容连接非线性`弹簧常数fi的发展。一个大型试验制品制造和测试，以验证分析方法。

最后，对于连接器系统的满量程概念设计并分析，以确定该MOB响应于海况。

2.Material characterization材料表征

试样以管状形式制备了由于连接器系统将使用弹性管。选择用于材料特性的材料是用于加固和氨基甲酸酯为基质的碳纤维。被选定为它的刚度和强度AS4-12Kt碳纤维，和的Adiprene L-百吨聚氨酯被选作矩阵其模塑特性和其在海洋环境中的耐久性。

碳纤维是使用大西洋研究公司（ARC）的3-D通过最厚度编织过程中编织。与此过程中，纤维被连续缠绕，以形成通过该材料的整个厚度的完全集成预制棒。该纤维结构消除脱层作为故障模式。因为弹性复合材料，预计在经受弯曲较大的变形，可以创造高fi层间fi剪应变这是非常重要的。由于加强件是通过厚度连续的，这些菌株被加强，而不是由单独的基质反应。

测试计划包括两个不同的编织结构的复合个人管的测试，以支持设计过程的量化这些高度非线性响应。被选择的两种架构同时代表软材料响应和僵硬的响应。两种不同的体系结构的说明在表1中的张力和压缩标本长分别为12给出，并且弯曲试件在长为24。用于夹持试样的夹具长分别为3，在拉伸和压缩和18标距长度留下6长弯曲。

对材料进行的测试包括拉伸，压缩，弯曲和扭转。合并的拉伸弯曲和压缩弯曲试验进行调查的相互作用。拉伸和压缩试验，也充满了聚氨酯橡胶fi塞fi内进行的标本。这被用来研究内部约束对拉伸和压缩响应的效果。

1. Constitutive model 本构模型

用于确定该MOB兼容连接器所提出的材料体系的机械性能的分析模型的发展中准确地表示该材料响应提出了许多挑战。这些包括一个非线性的，几乎压缩氨基甲酸乙酯基体，高刚性（假定线性弹性）纤维和低刚度矩阵，和高失败菌株允许编织纤维显著调整方向的不均匀性。

选择用于此方案的分析方法是基于由帕斯托雷开发的织物几何模型（FGM）[5]。与FGM，三维编织物的理想化单元电池被定义为描述在面内和面外纤维角度以及所述单元电池中的每个方向的相对体积。单元电池的非线性，正交各向异性材料属性可以被确定。

用于描述与FGM弹性体复合材料中的基本假设是，该材料可以作为均相，非线性材料进行处理。体积平均技术用于确定从构成属性，纤维取向和各组分的相对体积分数相当于复合材料性能。

对于材料的理想化单元电池从基于所述编织处理参数，如纱尺寸，纱和编织角的数目几何量而得。每个方向被分配基于在相对于纱线在单元电池的总长度方向上的纱线的长度的相对体积。

横向各向同性刚度张量的浸渍纱从微观力学模型计算使用全局复合材料的纤维体积分数。对于这个模型,微观力学模型Vanyin[6、7]被选中。纱的属性然后转化为细胞单元中每个方向。这些个人刚度张量乘以相应的相对体积分数然后总结形成均相的刚度平均全局复合反应。

考虑到聚氨酯基体的材料非线性和复合材料的几何非线性，所述单元电池的刚度为应变的每个增量测定。对应变的任一单轴或平面应变拉伸或压缩一个给定值时，纤维的取向以及轴向纤维百分比，被重新计算，并从试验得到的应力}应变曲线所确定的矩阵的刚度。为单元电池的刚度张量，然后为新的几何形状和基质材料性质来确定。

两个材料结构的非线性材料特性被用作试验片配置的有限元结构分析的基础。这种分析提供了占所发生的结构变形以及它们对感知材料响应效应管的反应的更详细的表示。的拉伸，压缩和弯曲试验进行分析。扭转和填充试验不考虑。分析进行了使用ABAQUS5.6。

作了实验结果和有限元/ FGM预测之间的比较，以评估所述分析方法的精确度。该模型似乎预测拉伸和压缩以及低应变响应。该模型预测合理的应力在较高的拉伸应变，但在高压缩应变显著超过预测的压力。

在拉伸和压缩的三轴结构的比较结果示于图。 1.在紧张的关系相当不错。然而，在压缩中，实验显示出局部表面在相对较低的应变弯曲。该模型制定允许屈曲，但该模型似乎太僵硬预测显著屈曲。

对于双轴管的结果示于图2.在拉伸和压缩，该模型在预测的刚度。

图3示出实验和FE / FGM之间的比较预测弯曲为双轴管的反应。所施加的负载和位移示于该图。虽然反应是相当线性的，但应当注意的是，在此变形过程中在管的轴向应力的FE / FGM预测是明显非线性正如所预期的双轴材料。

4 Connector design连接器设计

在布朗＆根MOB [3,8]执行的前一分析和实验研究中，假设连接器不兼容，但在所有条件下完全刚性的。这种假设导致了恶劣海况非常高的连接器负载。柔性连接可以通过允许发生位移减小连接器的负载。由于MOB的甲板被用作跑道，相邻模块的甲板的相对位移必须严格在跑道运行，以防止飞机和可能的伤害或生命损失的损害控制。

分量表测试在布朗＆根MOB的1 / 1/60缩尺模型进行，以确定下海况下4，5，7的刚性连接器的负载，与8 [3]。为六关节自由度的命名在图中定义。

因为涉及的柔性连接器没有具体的性能要求当时的连接器的概念是在工作中存在，一个质组需求是概述了柔性连接器和被定义了一些设计目标。

定性的要求通过在每个模块间连接（未于各个连接器）的六个自由度（DOF）的相对刚度的定义表示。这些列于表2中示出为fi软fi是指可允许有一定的灵活性，这些自由度的要求;显示为fi硬fi的自由度都要求尽量减少变形以保持MOB的作战能力。

对于连接器的其他条件和假设：

假定有将横跨模块联合的桥梁，以允许相邻的模块以由一定距离分开，以允许在不接触的模块之间的相对运动。

联合必须保持从鞠躬（相对偏航）MOB保持笔直的跑道和直保持容器机动。

之前该MOB连接器的概念设计，决定采用电缆柔性机构技术的连接器的设计。通过该技术，每个自由度的相对刚度的剪裁是可能的，以及用于提供连接器刚性的主动控制的装置。

钢索或钢丝绳，传统上用作张力件。他们被fi首先在一个弯曲的构形用于在[4]，这些隔离装置被广泛用于今天1957弯曲为冲击，振动和噪声隔离在运载火箭电子对许多应用。使用直线，而不是弯曲的一个工作提供运动的控制装置开始于70年代初通过这项工作，该技术被开发和成熟，和六自由度系统的专利，一个典型的六自由度系统示于图5的六个自由度系统允许运动。在所有六个自由度一顺从装置的机械响应是在于它得到作为偏转的增加更硬的非线性;刚度随着在电缆过渡装载从弯曲为主状态到张力支配状态。

• 1. Deck connector design

利用上述的要求，连接器的几个概念被设想和评估。没有限制被放置在使得上部和下部的连接器相同。事实上，人们认为，这将是有利的是使用不同的设计概念的两个连接器。当时，有人认为，双上肢（甲板），下（龙骨）连接器将需要满足负荷要求。将示出后，该龙骨连接器上的影响是可以忽略不计，可以从设计来消除。

对于甲板连接器的基本概念是在整个沿甲板该MOB的宽度挠性部件的一排（或行）。通过使用在整个宽度分布许多小（相对于MOB尺寸）管，所预期的大负荷可以是在该结构上更均匀地分布，而不是在船体的一个小区域的大负荷集中。

五个概念进行了评价与选择的概念在图示意性示出表2的要求。 6.该图是两个相邻的MOB模块的侧视图具有垂直管连接两个一排。

4.2. Keel connector design

因为使用两个单独的浮筒该MOB模块的一般布置的，`被选定为下连接器的配置点的连接器。美国航空航天局的六学位的自由度关节似乎提供所需的兼容406.M.S。 Derstine，R.T.布朗/海洋结构物13（2000）399}419

这些连接器的属性。与符合在所有的六个自由度，它将使接头的全局行为由上部连接的特性支配。通过包括用于改变在下部连接所述遵从的能力，它会采取行动，以进一步限制上部连接的运动，同时允许在接合和海况相比6.仅使用甲板连接和消除浮筒的可能性更大更好地遵守连接器也将被调查。

5. Connector analysis

开发作为该项目的一部分的连接器的概念是在这两个的几何形状和所用材料复合物。预测下的多轴向载荷这些连接器的行为，需要具有足够的细节的分析技术来捕捉各个管在连接器同时足够简单以MOB流体动力学分析以包括。因此，这项工作的目的是开发利用非线性有限元分析（FEA）预测连接器行为分析方案。

为了验证这一分析方法，需要与实验结果一番比较。因此，测试夹具的设计，制造和测试，以获得这些结果。

5.1. Verification testing

试验的目的是产生用于同时使用龙骨和甲板连接在先前描述开发的结构的分量表MOB连接器系统负载/偏转响应。因为这个测试是在与材料的开发和表征平行发生，钢电缆被用作柔性元件。

夹具被设计成代表两个MOB模块的端部与在它们之间的柔性连接器。代表该MOB模块两部分被安装在地板上，如果该MOB的长轴被上端设​​置。该夹具示于图7.跨桥面宽度为10英尺，76长“腿”。

四个自由度甲板连接器是1在横跨夹具的全宽分布直径钢索单行;共有55的电缆被用于甲板的连接器。 55电缆被分解成五个独立的“模块”，易于组装和安装。模块中的每一个被连接到四个载荷传感器夹具的下部。要确定所允许的模块间的负载分布在甲板上连接的负荷的细胞。以允许卡座连接器的刚性的变型中，它被设计使用电缆的两种不同长度，1和3，以允许。

六个自由度龙骨连接器的设计采用的三根电缆上四个边的双列。每根电缆为1/2的直径与长径比，L / D，6。甲板连接器模块一样，每个龙骨连接器被安装在四个载荷传感器。

两个液压执行机构安装在夹具提供负载在两个不同的自由度:增长和相对音高(垂直弯曲)。此外,两个不同的弯矩是可能的两个执行机构。每个驱动器配有一个位移传感器,旋转传感器被安装的夹具。验证测试的测试矩阵表3中给出。这两个执行机构是位于两条腿之间的中点的夹具与一个驱动器靠近甲板和一个靠近龙骨。因此,一个执行机构称为“甲板”致动器和一个“龙骨”致动器。测试计划是重复的两个龙骨连接器配置。

5.2. Verification analysis验证分析

分析验证测试执行配置使用两个不同的有限元模型。第一个模型完全代表固定的几何形状和连接器组件,除了因为夹具和应用加载是对称的,只有一半的夹具建模。这种模式被称为“完整”模型。第二个模型简化,夹具的结构由梁元素和连接器是代表了春天的元素。这种模式被称为“梁”模型。连接器分别进行了分析,确定弹簧常量用于光束模型。使用梁模型的目的是模拟模型用于全局MOB的类型分析。完整的模型的网格图8所示。夹具和连接器结构建模使用壳元素。钢电缆建模使用梁元素。负载细胞包含在分析;它们是由梁元素。只包括夹具的上半部分模型中自下半部分只是作为一个附件的平台。为了表示模型的初始条件使用重力时更准确(考虑到夹具的重量),node-to-ground差距元素用于表示块放置在夹具的测试,以防止结构的重量放在连接器。有效模量和梁元素代表钢电缆直径是基于计算实验的弯曲和拉伸刚度直径1/8电缆和比例在直径1/2到1。

5.3. Beam model 梁模型

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