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Kaifeng Yuan、Lianbo Wang、Chenhan Liu、Zhenmeng Xia和Linzhi Wu等人于2024年4月13日在期刊《Ocean Engineering》上发表了题为《Buckling failure of winding composite cylindrical hulls under hydrostatic pressure》的研究论文。该研究由哈尔滨工程大学先进船舶材料与力学重点实验室、哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院工程力学系以及哈尔滨工业大学复合材料中心共同完成。
研究的主要科学领域为海洋工程中的复合材料压力壳设计,特别是缠绕复合材料圆柱壳在静水压力下的屈曲失效行为。压力壳是无人水下航行器(UUVs)的核心部件,其重量通常占整体重量的1/4至1/2。因此,减轻压力壳的重量可以显著降低能耗、提高载重能力并增加潜深。与金属材料相比,复合材料具有轻质、高承载能力和良好的耐腐蚀性等优势。然而,由于缺乏设计规则、经验数据以及简化的优化设计模型,复合材料压力壳的设计通常采用更高的安全系数,这削弱了其优势。本研究旨在通过实验和数值模拟,全面分析缠绕复合材料压力壳(WCPHs)在静水压力下的屈曲失效机制,并与铝合金压力壳(AAPHs)进行性能对比,为复合材料压力壳的设计和应用提供科学依据。
研究流程包括以下几个主要步骤:
材料参数获取
研究首先通过缠绕工艺制备了单向板,并按照ASTM D6641/D6641M标准进行了压缩性能测试,获取了复合材料的实际力学参数。测试结果表明,0°方向的压缩模量为116.4 GPa,压缩强度为986.1 MPa;90°方向的压缩模量为10.7 GPa,压缩强度为133.4 MPa。
压力壳制备
采用碳纤维(T700-12K)和环氧树脂(KH9533 A/B)制备了WCPHs,层序为[(90°)3/(±45°)24/(90°)3]。对照组采用6061-T6铝合金制备了AAPHs。WCPHs的制造过程包括纤维缠绕、固化、脱模、切割和抛光等步骤,而AAPHs则通过数控车床加工内、外表面。
静水压力测试
使用最大压力为170 MPa的静水压力实验舱对WCPHs和AAPHs进行了测试。实验过程中,通过应变测量点记录了轴向和周向应变,并逐步施加静水压力,每级压力保持2分钟以获取稳定的应变数据。
有限元分析(FEA)
采用Abaqus软件建立了非线性屈曲分析模型,考虑了实际材料参数和厚度偏差。通过线性屈曲模态形状缺陷(LBMIs)模拟了壳体的屈曲行为,并引入了Hashin和Ye分层准则进行渐进损伤分析。
参数化研究
研究了缺陷系数(δ/t)、厚度半径比(t/r)和长度半径比(l/r)对壳体性能的影响,分析了击倒因子(KDF)、载荷增加率(LIR)和载荷差异率(LDR)的变化规律。
实验与有限元分析对比
WCPHs的实验极限载荷为9.31-9.53 MPa,是AAPHs(2.82-3.15 MPa)的3.1倍,验证了复合材料压力壳的承载优势。非线性屈曲分析的结果与实验数据吻合良好,误差小于10%。
渐进损伤分析
模拟结果显示,WCPHs的失效模式主要为纤维压缩失效和层间分层失效。应力首先在壳体末端集中,随后从中部外层90°层向两端扩展,最终在壳体末端形成大面积的纤维压缩损伤和层间分层损伤。
参数化研究结果
本研究通过实验、有限元分析和设计准则计算,全面研究了WCPHs和AAPHs在静水压力下的屈曲失效行为,得出以下结论:
1. WCPHs的极限载荷显著高于AAPHs,验证了复合材料压力壳的承载优势。
2. 建立的非线性有限元模型能够准确预测壳体的屈曲行为和极限载荷。
3. Hashin和Ye分层准则能有效模拟WCPHs的渐进损伤过程,揭示了纤维压缩失效和层间分层失效是主要失效模式。
4. 参数化研究表明,WCPHs对缺陷的敏感性较低,且在不同几何参数下均表现出优异的承载性能。
研究还对比了ASME 2007和NASA SP-8007两种设计准则的预测结果,发现考虑KDF后,ASME准则的预测结果较为保守,而NASA准则的误差较小。这一结果为压力壳的设计准则选择提供了参考。
通过本研究,复合材料压力壳的失效机制得到了全面解析,其轻质和高机械性能使其逐渐成为深海压力壳和潜艇管道的优选材料。