含有损伤的夹芯复合材料L型节点极限承载力研究

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夹芯复合材料因为具有优异的力学性能和抗腐蚀能力,被广泛应用在船舶结构中。L型节点作为复合材料船体结构中典型的局部结构,主要应用于甲板和舷侧之间的连接。在夹芯复合材料的建造使用过程中,损伤问题几乎不可避免,并且损伤会对结构安全性带来影响。因此,本文针对含有损伤的夹芯复合材料L型节点展开研究,为L型节点在复合材料船体结构中的应用提供参考。首先,采用ABAQUS软件建立了L型节点的有限元模型,基于编织纤维的构成形式,定义了编织纤维复合材料的三维Hashin失效准则。结合渐进失效分析和内聚力模型对L型节点的极限载荷和失效模式做出预测,将结果与试验进行对比,验证了模拟方法的有效性。在L型节点的圆弧肘板区域引入了半径为20mm的圆形纤维断裂损伤和脱粘损伤,研究了含有损伤的L型节点的极限载荷。结果显示,含有纤维断裂损伤的L型节点的极限载荷相对没有损伤的节点降低14%,而含有脱粘损伤的L型节点的极限载荷相对没有损伤的节点仅降低3%。然后,采用数值模拟方法研究了损伤形状对L型节点极限载荷的影响。结果显示,含有贯穿型损伤的L型节点的极限载荷明显低于含有圆形和椭圆形损伤的L型节点,贯穿型纤维断裂损伤导致L型节点的极限载荷降低了43%,贯穿型脱粘损伤导致L型节点的极限载荷降低了8%。随后,分别对圆形和贯穿型损伤的尺寸效应展开研究。对于脱粘损伤,L型节点的极限载荷会随圆形以及贯穿型损伤尺寸的增大而减小。对于纤维断裂损伤,L型节点的极限载荷仅随着圆形损伤尺寸增大而减小,而与贯穿型损伤尺寸基本没有关系。对损伤位置的研究表明,圆弧肘板正面含有纤维断裂损伤的L型节点的极限载荷低于圆弧肘板侧面含有纤维断裂损伤的L型节点,而圆弧肘板正面的脱粘损伤对L型节点的承载能力基本没有影响。最后,从结构设计角度出发,针对含有纤维断裂损伤和脱粘损伤的L型节点,探讨了夹芯材料属性、加强筋蒙皮厚度、加强筋尺寸和圆弧肘板半径对其极限载荷的影响。结果表明,改变夹芯属性仅对含有脱粘损伤的L型节点有效,对含有纤维断裂损伤的L型节点影响很小。增大加强筋的蒙皮厚度、加强筋尺寸和圆弧肘板半径都能够增大含损伤的L型节点的极限载荷,增大加强筋正面的蒙皮厚度和加强筋高度对含损伤的L型节点极限载荷的提升作用更为明显。
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