本發(fā)明屬于復(fù)合材料海洋結(jié)構(gòu)物的抗沖擊設(shè)計,更具體地,涉及一種復(fù)合材料海洋結(jié)構(gòu)物的抗沖擊設(shè)計方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù):
1、復(fù)合材料海洋結(jié)構(gòu)物是指使用復(fù)合材料建造的海洋工程結(jié)構(gòu)物。這些結(jié)構(gòu)物廣泛應(yīng)用于船舶、海洋平臺、海洋管道、浮標(biāo)等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)材料相比,復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn),因此在海洋工程中得到越來越多的應(yīng)用。
2、主要特點(diǎn)和優(yōu)勢
3、輕質(zhì)高強(qiáng):復(fù)合材料通常比金屬材料輕,但具有較高的強(qiáng)度,這使得它們在重量敏感的海洋應(yīng)用中非常有用。
4、耐腐蝕:海洋環(huán)境中含有大量的鹽分和濕氣,容易引起傳統(tǒng)金屬材料的腐蝕,而復(fù)合材料則具備優(yōu)良的耐腐蝕性能。
5、抗疲勞性能好:復(fù)合材料的多向纖維結(jié)構(gòu)使其具有良好的抗疲勞性能,適合長期使用。
6、設(shè)計靈活性高:復(fù)合材料可以通過改變纖維的類型、排布方式和基體材料來調(diào)整材料的性能,以滿足特定的設(shè)計要求。
7、但是現(xiàn)有技術(shù)中并沒有一種技術(shù)方案能夠考慮多因素對海洋結(jié)構(gòu)物的抗沖擊性能產(chǎn)生的影響,從而為抗沖擊設(shè)計提供幫助。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決以上技術(shù)問題,本發(fā)明提出一種復(fù)合材料海洋結(jié)構(gòu)物的抗沖擊設(shè)計方法,包括:
2、獲取復(fù)合材料的材料信息及海洋結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)信息,其中,所述材料信息包括:材料的楊氏模量、材料的密度、材料強(qiáng)度、材料的疲勞強(qiáng)度和材料的疲勞壽命,所述結(jié)構(gòu)信息包括:海洋結(jié)構(gòu)物中各結(jié)構(gòu)的厚度及長度;
3、分別設(shè)置材料屬性與結(jié)構(gòu)幾何對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)、沖擊能量與環(huán)境條件對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)、沖擊能量與環(huán)境條件對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)、材料層壓結(jié)構(gòu)與沖擊角度對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)和材料疲勞特性與長期環(huán)境暴露對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù),并根據(jù)所述材料信息及所述結(jié)構(gòu)信息,計算抗沖擊能力的第一指標(biāo)、抗沖擊能力的第二指標(biāo)、抗沖擊能力的第三指標(biāo)、抗沖擊能力的第四指標(biāo)和抗沖擊能力的第五指標(biāo);
4、將所有指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均,得到最終指標(biāo),對各綜合影響函數(shù)進(jìn)行擬合,使所述最終指標(biāo)接近預(yù)設(shè)抗沖擊設(shè)計閾值。
5、進(jìn)一步的,材料屬性與結(jié)構(gòu)幾何對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)包括:
6、
7、其中,r1為抗沖擊能力的第一指標(biāo),n為材料的數(shù)量,ai為第i種材料的權(quán)重,ei為復(fù)合材料中第i種材料的楊氏模量,αi為第i種材料的楊氏模量的第一調(diào)整因子,ρi為復(fù)合材料中第i種材料的密度,βi為第i種材料的密度的調(diào)整因子,m為結(jié)構(gòu)的數(shù)量,bj為第j種結(jié)構(gòu)的權(quán)重,tj為海洋結(jié)構(gòu)物中第j種結(jié)構(gòu)的厚度,γj為第j種結(jié)構(gòu)的厚度的調(diào)整因子,δj為第j種結(jié)構(gòu)的長度的調(diào)整因子,lj為海洋結(jié)構(gòu)物中第j種結(jié)構(gòu)的長度。
8、進(jìn)一步的,沖擊能量與環(huán)境條件對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)包括:
9、
10、其中,r2為抗沖擊能力的第二指標(biāo),p為材料的數(shù)量,ck為第k種材料的權(quán)重,ηk為第i種材料的楊氏模量的第二調(diào)整因子,ek為復(fù)合材料中第k種材料的楊氏模量,q為沖擊的次數(shù),dl′為第l′次沖擊的權(quán)重,θl′為第l′次沖擊的速度的調(diào)整因子,λl′為第l′次沖擊的能量的調(diào)整因子,e′l′為海水對海洋結(jié)構(gòu)物的第l′次沖擊的能量,vl′為海水對海洋結(jié)構(gòu)物的第l′次沖擊的速度,em′為第m′個環(huán)境場景的第一權(quán)重,μm′為第m′個環(huán)境場景的環(huán)境溫度的調(diào)整因子,νm′為第m′個環(huán)境場景的環(huán)境濕度的調(diào)整因子,tm′為第m′個環(huán)境場景的環(huán)境溫度,hm′為第m′個環(huán)境場景的環(huán)境濕度,r為環(huán)境場景的數(shù)量。
11、進(jìn)一步的,材料層壓結(jié)構(gòu)與沖擊角度對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)包括:
12、
13、其中,r3為抗沖擊能力的第三指標(biāo),s為復(fù)合材料的層數(shù),fn′為第n′層材料的權(quán)重,φn′為第n′層材料的材料強(qiáng)度的調(diào)整因子,χn′為第n′層材料的層厚的調(diào)整因子,σn′為復(fù)合材料的第n′層材料的材料強(qiáng)度,λn′為復(fù)合材料的第n′層材料的層厚,q為沖擊的次數(shù),go為第o次沖擊的權(quán)重,ψo(hù)為第o次沖擊的角度的調(diào)整因子,θo為海水對海洋結(jié)構(gòu)物的第o次沖擊的角度。
14、進(jìn)一步的,材料疲勞特性與長期環(huán)境暴露對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)包括:
15、
16、其中,r4為抗沖擊能力的第四指標(biāo),n為材料的數(shù)量,hu′為第u′種材料的權(quán)重,ωu′為第u′種材料的疲勞強(qiáng)度的調(diào)整因子,ζu′為第u′種材料的疲勞壽命的調(diào)整因子,du′為復(fù)合材料中第u′種材料的疲勞強(qiáng)度,τu′為復(fù)合材料中第u′種材料的疲勞壽命,r為環(huán)境場景的數(shù)量,i′q′為第q′個環(huán)境場景的第二權(quán)重,lq′為第q′個環(huán)境場景的長期暴露壓力的調(diào)整因子,pq′為第q′個環(huán)境場景的長期暴露壓力。
17、本發(fā)明還提出一種復(fù)合材料海洋結(jié)構(gòu)物的抗沖擊設(shè)計系統(tǒng),包括:
18、獲取信息模塊,用于獲取復(fù)合材料的材料信息及海洋結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)信息,其中,所述材料信息包括:材料的楊氏模量、材料的密度、材料強(qiáng)度、材料的疲勞強(qiáng)度和材料的疲勞壽命,所述結(jié)構(gòu)信息包括:海洋結(jié)構(gòu)物中各結(jié)構(gòu)的厚度及長度;
19、設(shè)置函數(shù)模塊,用于分別設(shè)置材料屬性與結(jié)構(gòu)幾何對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)、沖擊能量與環(huán)境條件對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)、沖擊能量與環(huán)境條件對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)、材料層壓結(jié)構(gòu)與沖擊角度對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)和材料疲勞特性與長期環(huán)境暴露對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù),并根據(jù)所述材料信息及所述結(jié)構(gòu)信息,計算抗沖擊能力的第一指標(biāo)、抗沖擊能力的第二指標(biāo)、抗沖擊能力的第三指標(biāo)、抗沖擊能力的第四指標(biāo)和抗沖擊能力的第五指標(biāo);
20、擬合模塊,用于將所有指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均,得到最終指標(biāo),對各綜合影響函數(shù)進(jìn)行擬合,使所述最終指標(biāo)接近預(yù)設(shè)抗沖擊設(shè)計閾值。
21、進(jìn)一步的,材料屬性與結(jié)構(gòu)幾何對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)包括:
22、
23、其中,r1為抗沖擊能力的第一指標(biāo),n為材料的數(shù)量,ai為第i種材料的權(quán)重,ei為復(fù)合材料中第i種材料的楊氏模量,αi為第i種材料的楊氏模量的第一調(diào)整因子,ρi為復(fù)合材料中第i種材料的密度,βi為第i種材料的密度的調(diào)整因子,m為結(jié)構(gòu)的數(shù)量,bj為第j種結(jié)構(gòu)的權(quán)重,tj為海洋結(jié)構(gòu)物中第j種結(jié)構(gòu)的厚度,γj為第j種結(jié)構(gòu)的厚度的調(diào)整因子,δj為第j種結(jié)構(gòu)的長度的調(diào)整因子,lj為海洋結(jié)構(gòu)物中第j種結(jié)構(gòu)的長度。
24、進(jìn)一步的,沖擊能量與環(huán)境條件對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)包括:
25、
26、其中,r2為抗沖擊能力的第二指標(biāo),p為材料的數(shù)量,ck為第k種材料的權(quán)重,ηk為第i種材料的楊氏模量的第二調(diào)整因子,ek為復(fù)合材料中第k種材料的楊氏模量,q為沖擊的次數(shù),dl′為第l′次沖擊的權(quán)重,θl′為第l′次沖擊的速度的調(diào)整因子,λl′為第l′次沖擊的能量的調(diào)整因子,e′l′為海水對海洋結(jié)構(gòu)物的第l′次沖擊的能量,vl′為海水對海洋結(jié)構(gòu)物的第l′次沖擊的速度,em′為第m′個環(huán)境場景的第一權(quán)重,μm′為第m′個環(huán)境場景的環(huán)境溫度的調(diào)整因子,νm′為第m′個環(huán)境場景的環(huán)境濕度的調(diào)整因子,tm′為第m′個環(huán)境場景的環(huán)境溫度,hm′為第m′個環(huán)境場景的環(huán)境濕度,r為環(huán)境場景的數(shù)量。
27、進(jìn)一步的,材料層壓結(jié)構(gòu)與沖擊角度對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)包括:
28、
29、其中,r3為抗沖擊能力的第三指標(biāo),s為復(fù)合材料的層數(shù),fn′為第n′層材料的權(quán)重,φn′為第n′層材料的材料強(qiáng)度的調(diào)整因子,χn′為第n′層材料的層厚的調(diào)整因子,σn′為復(fù)合材料的第n′層材料的材料強(qiáng)度,λn′為復(fù)合材料的第n′層材料的層厚,q為沖擊的次數(shù),go為第o次沖擊的權(quán)重,ψo(hù)為第o次沖擊的角度的調(diào)整因子,θo為海水對海洋結(jié)構(gòu)物的第o次沖擊的角度。
30、進(jìn)一步的,材料疲勞特性與長期環(huán)境暴露對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)包括:
31、
32、其中,r4為抗沖擊能力的第四指標(biāo),n為材料的數(shù)量,hu′為第u′種材料的權(quán)重,ωu′為第u′種材料的疲勞強(qiáng)度的調(diào)整因子,ζu′為第u′種材料的疲勞壽命的調(diào)整因子,du′為復(fù)合材料中第u′種材料的疲勞強(qiáng)度,τu′為復(fù)合材料中第u′種材料的疲勞壽命,r為環(huán)境場景的數(shù)量,i′q′為第q′個環(huán)境場景的第二權(quán)重,lq′為第q′個環(huán)境場景的長期暴露壓力的調(diào)整因子,pq′為第q′個環(huán)境場景的長期暴露壓力。
33、總體而言,通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下有益效果:
34、本發(fā)明通過設(shè)置材料屬性與結(jié)構(gòu)幾何對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)、沖擊能量與環(huán)境條件對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)、沖擊能量與環(huán)境條件對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)、材料層壓結(jié)構(gòu)與沖擊角度對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù)和材料疲勞特性與長期環(huán)境暴露對抗沖擊能力的綜合影響函數(shù),充分考慮了各種因素對海洋結(jié)構(gòu)物的抗沖擊性能的影響,從而為研發(fā)人員提供可靠的設(shè)計思路。