复合材料船体加筋板结构的失效模式、失效机理及强度准则的实验和理论研究

Polymer composite materials reinforced with high-strength fiber provide very high strength-to-weight ratio and rigidity-to-weight ratio, and have stealth properties including low magnetic signatures and good noise -damping property. Therefore, the composite materials are very suitable for the construction of mine-hunting ships and high speed navy ships. But, as mentioned by Eric Greene[1，2], "although design principles for ship structures and composite materials used for aerospace structures are mature as individual disciplines, procedures for combining the technologies are at an infancy".The systemic investigation is necessary for the failure modes, failure mechanism and corresponding strength criterions for large composite ship-hull structures The present project intends to perform the experimental and theoretical investigations of following three aspects: (1) Failure modes and failure mechanism of hat-stiffened composite panels under action of out-plane loads, (2) Buckling, post-buckling and ultimate collapse modes of hat-stiffened composite panels subjected to in-plane uniaxial compression, (3) Deformations, failure modes and ultimate collapse of box girder models constructed with hat-stiffened composite panels. By above-mentioned works, Systemic experimental and theoretical investigations will be performed for the local failures, ultimate collapse modes and mechanism of composite ship hull constructed with hat-stiffened composite panels, and the corresponding strength criterions will be presented based on composite micromechanics and macromechanics.

高强度纤维加强的聚合物复合材料具有很高的比强度和比刚度,具有优良的电磁和声隐身性能以及可设计性,非常适合于建造反水雷舰艇和高速舰艇。如Eric Greene[4，5] 指出的，尽管船舶结构的设计原理和复合材料作为单个学科是成熟的，但是将其组合起来的方法还很不成熟。对较大型复合材料船体结构的失效模式、失效机理和强度准则有待于进行系统全面地研究。 本项目计划开展下列三类实验研究和系统理论计算分析：（1）复合材料帽形加筋板在面外载荷作用下失效模式和失效机理，（2）复合材料帽形加筋板在面内压缩载荷作用下的屈曲、后屈曲和最终破坏模式，（3）复合材料帽形加筋板构成的船体箱形梁模型在纵向弯曲载荷作用下的变形和失效模式。通过上述工作，初步对复合材料帽形加筋板构成的复合材料船体结构的局部失效模式和最后垮塌模式及其机理开展较系统的实验和理论研究，基于复合材料细观和宏观力学的理论，提出相应的强度计算准则。

高强度纤维加强的聚合物复合材料具有很高的比强度和比刚度,具有优良的电磁和声隐身性能以及可设计性,适合于建造具有特定性能和用途的大型复合材料船体。大型复合材料船体通常采用纵向骨架式结构，其局部结构通常由纵向帽型筋加强的板架构成，板架支撑在一系列横向框形骨架上。由于纤维加强复合材料的力学性能与金属材料大不相同，需要对复合材料船体结构的力学性能提出系统的理论分析和计算方法。如文献（Eric Greene, 2013）指出的，这方面的工作还很不成熟。. 根据本项目申请书提出的研究计划，开展了下述内容的研究：（1）复合材料船体典型局部结构-帽形加筋板在面外载荷作用下弯曲变形和强度的理论和模型实验研究，以及有限元数值计算；（2）复合材料帽形加筋板在面内压缩载荷作用下屈曲失稳的理论研究和解析求解计算，以及屈曲变形和破坏模式的模型实验研究；（3）复合材料船体结构的总体纵向弯曲强度和弯曲刚度的理论研究，复合材料帽型加筋板构成的船体箱形梁模型的弯曲实验研究。. 通过上述研究，在前人研究工作的基础上，取得了如下研究城果：（1）基于复合材料力学和结构力学的理论，研究提出了计算复合材料船体局部结构-帽型加筋板在面外载荷作用下的弯曲变形和强度的解析求解算法，并通过模型实验验证了理论计算，研究了模型结构的破坏模式；（2）研究提出了计算复合材料帽型加筋板在面内载荷作用下屈曲临界载荷的解析方法，通过模型实验验证了理论解，研究了模型的破坏模式；（3）基于复合材料力学和传统船舶结构力学的理论，研究提出了计算复合材料船体的总体纵向弯曲强度和弯曲刚度的解析方法，并通过模型实验验证了理论解，研究了失效模式。由此为复合材料船体的力学性能分析提出了简便的理论计算分析方法。