复合材料船体层合板的极限强度分析

 
    
       基于更新拉格朗日格式，应用非线性层合三维退化壳元，结合有效的复合材料失效准则、刚度退化模型以及文中提出的刚度矩阵奇异判断准则，对复合材料层合板在轴向载荷作用下的轴向压缩极限强度问题进行深入研究，、讨论了铺层方式、板厚等对极限强度的影响，、通过与试验结果进行比较，表明基于文中提出的刚度矩阵奇异判断准则，结合增量更新拉格朗日格式下非线性层合三维退化有限元的计算方法能有效计算复合材料层合板的轴向压缩极限强度，并具有很高的精度。

       复合材料由于其高强度高刚度重量比的突出优点．已开始被广泛地用于各类现代船舶的制造．目前复合材料船体大型化、超大型化的发展趋势，使复合材料船体纵向极限强度的研究日益重要和迫切。复合材料层合板及层合加筋板是组成复合材料船体的基本结构单元，它们的纵向极限强度对复合材料船体纵向极限强度影响很大，往往直接关系到复合材料船体的纵向极限强度．

       复合材料层合板壳极限分析的求解方法一般都为非线性分析方法．这些非线性求解方法可被归为以下两大类：非线性解析方法和非线性数值方法。但在实际的工程计算时，由于板壳几何形状的复杂性、载荷、材料性能、板壳厚度和边界条件的多样性，一般很难用解析方法来求解而只能用非线性数值方法来求解。非线性数值中以非线性有限元法目前应用最广泛，也最为实用。

       Petit和Waddoups最早对复合材料层合板进行了渐进极限分析。Hu将非线性有限元与考虑非线性面内剪切的非线性本构模型相结合．使用Tsai-Wu失效准则来预测母体的断裂和纤维层的失效．预测了复合材料层合板在遭受单向面内压缩载荷作用下的失效载荷。Reddv等用Laverwise板理论来对三点弯曲层合板进行渐进极限分析，层合板的刚度退化依据失效模式在高斯点进行退化。Echaabi等也研究了三点弯曲下的层合板的渐进损伤过程和失效模式，并将分析得到的数值解与实验值进行比较分析。

       Smith和Dow将理论和实验相结合研究了FRP帽形加筋板块在轴向压缩载荷作用下的极限强
度，并同时给出了在设计FRP加筋板时的推荐设计程序及安全因子．但因为浚有对加筋板进行刚度折减，他们的方法并不能准确预测FRP帽形加筋板的极限强度．后来Dow做了大量用于船舶结构的复合材料层合板、层合加筋板及其他结构连接构件的极限强度实验，并用非线性有限元程序对实验结果进行了比较分析。周祝林也通过283块简支矩形玻璃钢薄板的压缩屈曲后极限强度的试验，证明复合材料薄板在屈曲失稳后仍能继续承载。最近Khan．Shah对船用玻璃增强纤维复合材料结构在渐增压缩应力下进行了实验分析，测得了极限强度，弹性模量和极限强度时的应变，并用光学显微镜进行了对试件的后破坏分析来推定破坏机制[¨]。陈念众和张圣坤等考虑船体板屈曲后刚度折减和初始挠度的影响，基于梁柱理论，应用Smith法研究了复合材料船体的纵向极限强度。

       复合材料本构关系十分复杂，独立的材料常数较多，破坏模式多样化，因而复合材料结构的极限分析是一项非常复杂的计算分析过程。由于材料失效准则还不尽完善、材料实验资料不全、渐进分析方法还存在这样或那样的缺陷，层合板的极限分析仍然处于发展阶段。本文基于更新拉格朗日格式，应用非线性层合三维退化壳元，结合有效的复合材料失效准则、刚度退化模型，并提出有效的刚度矩阵奇异判断准则，对复合材料层合板在轴向载荷作用下的轴向压缩极限强度问题进行了深入研究，与试验的比较证明本文的方法具有非常高的精度．

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