2020-4-36-轻型复合材料上层建筑与钢质船体连接结构设计分析

校核中，泡沫芯材剪切应力的安全裕度最小；对于芯材较厚的夹芯板，泡沫芯材的剪切应力是薄弱环节，故在设
计复合材料夹芯板连接结构时，应重点关注芯材的剪切问题。
关键词：复合材料；上层建筑；连接结构；强度校核
中图分类号：U663.9+9
文献标志码：A
DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01565
Design and analysis of joints between light composite superstructure and steel hull
LI Han1，GUO Zhanyi*2 1 Marine Equipment Support Group，Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100073，China 2 Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Research Institute Co. Ltd.，Dalian 116000，China
构不对称，在受拉压载荷时会产生附加弯矩。 由于复合材料上层建筑与钢质主船体连接结
构设计的相关技术尚不成熟，为了得到更加安全、 可靠的设计方案，同时易于在工艺上实现，结合复 合材料上层建筑的受力特点，本文选用“π”型连接 作为复合材料上层建筑围壁与钢质主船体之间连 接结构的基本形式。参考复合材料夹芯板在舰船 上的一些应用情况，夹芯板的上、下面板采用玻璃 纤 维 增 强 型 树 脂 基 复 合 材 料 ，芯 材 采 用 PVC 泡 沫。具体连接结构形式如图 3 所示，材料参数如 表 1 和表 2 所示，几何尺寸如表 3 所示。
（b）变形后示意图
图 1 单剪连接结构变形示意图 Fig.1 Deformation diagram of single shear joint structure
螺栓连接结构的连接形式将直接影响螺栓 连 接 的 强 度 。 国 内 、外 现 有 复 合 材 料 与 金 属 连 接 结 构 的 设 计 构 型 有“ L”型 、“ π ”型 和“ T”型 ，具 体形式如图 2 所示。3 种经典的螺栓连接形式分 别 具 有 不 同 的 优 、缺 点 和 使 用 条 件 ，本 文 将 逐 一 阐述。
由于单剪连接结构本身不对称，如图 1（a）所 示，在拉、压作用下会产生偏心弯矩，如图 1（b）所 示 ，相 对 于 对 称 的 双 剪 结 构 ，其 连 接 强 度 明 显 要 低 ，因 此 对 于 复 合 材 料 与 钢 的 螺 栓 连 接 结 构 设 计，本文推荐使用双剪结构的连接形式。
（a）变形前示意图
料与钢连接结构。提取上层建筑与主船体连接位置在浪花飞溅冲击载荷作用下的垂向反力及弯矩作为设计载
荷，利用有限元软件 ANSYS 校核 2 种工况下的强度。［结果］计算结果表明，各项需要考核的应力指标均小于材
料的极限应力，并且保留了一定的安全裕度，所设计的连接结构较为合理、可靠。［结论］在 2 种设计工况的强度
第 15 卷 第 4 期 2020 年 8 月
中国舰船研究 Chi中nese国Journ舰al of船Ship研Res究earch
Vol.15 No.4 Au第g. 1250卷20
引用格式：李涵，郭占一. 轻型复合材料上层建筑与钢质船体连接结构设计分析［J］. 中国舰船研究，2020，15（4）：36-45. LI H，GUO Z Y. Design and analysis of joints between light composite superstructure and steel hul［l J］. Chinese Journal of Ship Research，2020，15（4）：36-45.
“L”型连接（图 2（a））可用在上层建筑的围壁 上 。 其 优 点 是 ：无 需 布 置 连 接 钢 板 ，减 重 效 果 好 ，
面板
面板 面板wenku.baidu.com
芯材
芯材
连接钢板
甲板
甲板
（a）“L”型连接
（b）“ π ”型连接
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中国舰船研究
第 15 卷
过渡区
面板 连接钢板
甲板
（c）“T”型连接 图 2 复合材料与金属连接结构的设计构型 Fig.2 Design configuration of composite and metal structure
上述研究多关注复合材料与复合材料之间的 连接结构，极少涉及复合材料与金属的连接，而且 结 构 形 式 大 多 也 是 针 对 航 空 航 天 结 构 ，而 船 用 复 合材料的连接问题尚未得到学者们的广泛关注。 考 虑 到 船 舶 结 构 的 特 殊 性 ，本 文 将 从 一 体 化 复 合 材 料 上 层 建 筑 的 角 度 入 手 ，对 复 合 材 料 上 层 建 筑 与 钢 质 主 船 体 之 间 的 连 接 结 构 进 行 设 计 ，并 完 成 相 应 的 强 度 校 核 ，旨 在 为 复 合 材 料 上 层 建 筑 在 舰
Abstract：［Objectives］ Designing effective and reliable composite and steel joints is one of the difficulties faced in the application of composite superstructure in ships. ［Methods］ Considering the advantages and disadvantages of various joint structures，the π-type composite and steel joints were designed by using the double-bolt and double-shear. With the vertical reaction force and bending moments of the connecting position between the superstructure and the main hull under the action of wave loads extracted as design loads，the strength under two design conditions was checked by the finite element software ANSYS. ［Results］ The calculation results show that the stresses checked are less than the ultimate stresses of the material，and a certain safety margin is retained. The designed joints are reasonable and reliable.［Conclusions］In the strength check under the two design conditions，the safety margin of the shear stress of foam core is the smallest. Therefore，it is noted that failure of shear of core material for the sandwich panels with thicker core material is the main failure mode. Key words：composite materials；superstructure；joints；strength check
轻型复合材料上层建筑与钢质船体 连接结构设计分析
李涵 1，郭占一*2
1 海军装备部 装备保障大队，北京 100073 2 大连船舶重工集团设计研究院有限公司，辽宁 大连 116000
摘 要：［目的］设计可靠、有效的复合材料上层建筑与钢质主船体连接结构是复合材料上层建筑在舰船上应
用面临的难点之一。［方法］综合考虑各种连接结构的优、缺点，采用“π”型双螺栓、双剪切连接形式设计复合材
连接结构是复合材料的薄弱环节。由于结构 不 连 续 ，连 接 位 置 本 身 存 在 较 大 的 应 力 集 中 。 据 统 计 ，约 有 60％ ~70％ 的 复 合 材 料 结 构 损 伤 出 现 在 连 接 位 置 附 近 ，所 以 复 合 材 料 连 接 结 构 设 计 一 直 受 到 学 者 们 的 高 度 关 注 和 重 视 ，近 几 十 年 来 国 内外学者已进行了大量研究。相比价格昂贵的试 验 ，学 者 们 更 倾 向 于 利 用 高 效 的 有 限 元 方 法 研 究 复合材料连接结构的强度问题并完成优化设计。 Barbero［1-3］等 针 对 复 合 材 料 螺 栓 连 接 结 构 的 强 度 问题，采用有限元方法模拟损伤裂纹扩展的趋势， 得 到 了 几 种 失 效 模 式 发 生 的 顺 序 。 Oh［4-6］等 利 用 有限元软件建立有限元模型分析了影响复合材料 螺栓连接结构极限承载能力的几大因素。张博平 和 冒 颖 等 ［7-8］ 通 过 有 限 元 法 对 复 合 材 料 多 钉 连 接 的载 荷分配进行了一定的研究。李友和［9］、朱敏［10］和 史坚忠［11］对 复 合 材 料 连 接 结 构 予 以 了 设 计 。 刘 兴 科 等 ［12-14］ 利用有限元方法建立金属和复合材料 连接结构模型，选取各自的失效准则，完成了极限 强度以及订载分配方面的研究。
收稿日期：2019 - 04 - 09
修回日期：2019 - 07 - 02
网络首发时间：2020-4-26 11:41
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51879048）；黑龙江省博士后启动基金资助项目（LBH-Q16047）
作者简介：李涵，女，1985 年生，硕士，工程师。研究方向：装备试验鉴定
船领域的应用提供部分参考。
1 复合材料与钢连接结构设计
本质上，对于承载不大的薄壁结构来说，胶连 接具有更大的连接面积，不需要额外的紧固件，气 动 外 形 更 加 连 续 ，故 其 更 加 适 合 作 为 复 合 材 料 与 金属之间的连接方式。但考虑到船舶上层建筑与 主 船 体 之 间 存 在 较 大 的 剪 力 ，并 且 胶 粘 剂 在 海 洋 环境下容易老化、失效，为了提高连接结构的可靠 性 和 安 全 性 ，在 设 计 复 合 材 料 主 承 力 结 构 之 间 的 连 接 结 构 时 ，建 议 采 用 机 械 连 接 。 考 虑 到 螺 栓 连 接 相 对 于 铆 钉 连 接 可 以 重 复 装 配 和 拆 卸 ，并 且 可 承 受 更 大 的 载 荷 ，故 本 文 将 采 用 螺 栓 连 接 作 为 复 合材料上层建筑与钢质主船体之间的连接方式。
郭占一，男，1990 年生，硕士，工程师。研究方向：船舶结构设计与强度分析。
*通信作者：郭占一
第4期
李涵等：轻型复合材料上层建筑与钢质船体连接结构设计分析
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0引言
上 层 建 筑 位 于 水 面 舰 艇 的 顶 端 ，其 上 安 装 有 各 种 通 信 天 线 、雷 达 等 具 有 强 大 电 磁 辐 射 的 设 备 ，故 极 易 被 敌 方 雷 达 捕 捉 。 从 隐 身 性 的 角 度 出 发 ，由 于 复 合 材 料 夹 芯 板 具 备 有 效 损 耗 和 吸 收 雷 达 波 的 作 用 ，因 此 采 用 其 制 造 多 功 能 一 体 化 上 层 建 筑 的 围 壁，能 够 起到 减 小 雷 达散 射 截 面（RCS） 的 效 果 。 除 了 能 提 高 舰 艇 的 隐 身 性 能 外 ，复 合 材 料还具备低密度、高强度的力学性能，使用复合材 料上层建筑可以有效降低船体结构的重量和重 心 。 另 外 ，海 洋 环 境 具 有 高 湿 度 、高 盐 度 的 特 点 ， 而 复 合 材 料 在 此 环 境 下 不 易 被 腐 蚀 ，因 此 复 合 材 料是制作轻质上层建筑最理想的材料。虽然复合 材 料 的 各 种 性 能 都 极 为 优 良 ，但 其 在 船 舶 领 域 的 应 用 依 然 处 于 起 步 阶 段 ，其 根 本 原 因 在 于 复 合 材 料 无 法 像 金 属 一 样 进 行 焊 接 ，其 连 接 技 术 远 不 如 金属成熟，因而严重制约了复合材料在船舶领域的 大规模应用。