激光焊接全钢三明治结构板的力学行为研究及结构设计

摘要

随着国民经济和工业技术的快速发展，人们追求更大、更快、更轻运载工具的同时，更加关注原材料的高效利用和环境保护，在此背景下，结构轻量化成为船舶、汽车、建筑、桥梁等众多领域节约资源和保护环境的重要措施之一。全钢三明治结构板是一种重要的新型轻质结构，通过激光深熔焊接方法将高强度的面板与芯板连接成为整体。全钢三明治结构板经结构设计可充分发挥其“夹芯效应”，使其具有重量轻、刚度大、强度高的特点外，还具有良好的减震、降噪和抗冲击能力强等优点。目前国外已成功将其应用于船体的甲板、舱壁、天线平台等地方。
　　论文以三种结构的激光焊接Web-core全钢三明治结构板为研究对象，采用外伸三点弯曲实验方法，并结合有限元计算，对Web-core全钢三明治结构板的力学行为以及接头几何参数和结构参数的影响进行了系统的研究。在此基础上，基于结构优化理论，采用移动渐进线法(MMA)对Web-core三明治结构板进行结构设计，使其性能在刚度、强度和重量等多目标中达到最优，从而最大程度地发挥三明治结构板的高比刚度和高比强度优势。论文主要研究内容如下:
　　(1)根据三明治结构板常用的刚度和强度设计公式，初步设计了三种结构的Web-core三明治结构板。参考国家标准GB/T1456-2005中的夹层结构弯曲性能试验方法和美国标准C393，设计并加工了用于测定三明治结构板弯曲性能的试验装置。采用外伸三点弯曲试验方法，对三种Web-core三明治结构板分别进行弯曲性能试验，并结合有限元计算分析其刚度、强度、弯曲变形行为、失效及破坏形式，发现三种结构的Web-core全钢三明治结构板的力学行为各不相同，且接头几何参数对Web-core全钢三明治结构板的力学行为有显著影响。
　　(2)对接头几何参数（焊缝宽度和间隙）不同的Web-core全钢三明治结构板的刚度进行分析，实验表明接头几何的不连续性对其刚度和强度具有重要的影响，其中焊缝宽度是主要影响因素。当焊缝宽度小于60％的芯板板厚时，焊缝宽度对Web-core三明治结构板的刚度具有明显的削弱作用，而大于60％时，这种作用不明显。间隙对Web-core三明治结构板的刚度影响很小，可忽略不计。现有的Web-core三明治结构板常用的刚度设计公式中假设接头是连续完整的，然而该假设在实际结构中并不满足，因而过高地估计了刚度。为此，本文在实验和有限元分析基础上，结合材料力学理论，对Lok&Cheng提出的刚度设计公式进行了修正，从而能够更好地刻画在接头不完整的条件下，Web-core三明治结构板的刚度计算。
　　(3)通过实验和有限元计算，系统地研究了接头几何参数对Web-core全钢三明治结构板强度、弯曲变形行为、失效及破坏形式的影响。研究表明，当焊缝宽度小于60％的芯板板厚时，焊缝宽度对强度同样具有明显的削弱作用，表现为Web-core三明治结构板以接头形成塑性铰的形式而失效，以接头开裂的形式而破坏。增大焊缝宽度时，由焊缝宽度所引起的强度弱化随之减小，同时在接头上越来越不容易形成完整的塑性铰，三明治结构板的失效形式也随之改变为接头屈服和面板局部屈服的组合、接头屈服和芯板局部屈服的组合、芯板屈服和面板局部屈服的组合。因此，本文提出将接头屈服作为金属三明治结构板的失效形式之一，同时接头开裂也应作为其破坏形式之一;在结构设计时，要保证焊缝宽度至少大于60％的芯板板厚，只有这样，才能降低接头几何参数对整体结构性能的影响。
　　(4)通过Web-core全钢三明治结构板的弯曲实验和有限元计算，确定T型接头的受力状态，并设计了测定接头力学性能的实验装置，对不同工艺参数（焊接速度、功率、间隙和偏移）下的T型接头进行拉伸、剪切和弯曲试验，分析了工艺参数对接头强度的影响，研究了接头强度对Web-core全钢三明治结构板的变形、失效和破坏形式。结果表明工艺参数、焊接缺陷和接头组织等因素共同影响了T型结构的强度，在工艺参数中，焊接速度与接头强度的关系十分密切，其余参数对接头强度的影响规律比较复杂。因此，提出了用标称应力作为表征工艺参数、焊接缺陷和接头组织等因素对T型接头力学性能影响的指标。
　　(5)研究了结构几何参数（面板厚度、芯板高度和芯板间距）对Web-core全钢三明治结构板刚度、强度、弯曲变形行为、失效及破坏形式的影响。运用多约束优化设计理论，构建Web-core三明治结构板的多约束优化设计数学模型，考虑接头力学性能的影响，采用移动渐进线法(MMA)对其求解，并通过实验验证了设计结果，同时比较了四种结构三明治结构板的力学行为，最终结果表明所提出的设计模型是准确的。

目录

声明

论文中主要符号说明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 金属三明治结构板的研究现状

1．2．1 金属三明治结构板的力学行为

1．2．2 三明治结构板的结构优化方法

1．2．3 金属三明治结构板的制造方法

1．3 金属三明治结构板的优势及存在的问题

1．4 主要研究思路和研究内容及创新点

1．4．1 主要研究思路和研究内容

1．4．2 创新点

第2章 实验方法及装置

2．1 Web-core全钢三明治结构板的制备

2．1．1 三明治结构板的几何尺寸

2．1．2 三明治结构板的面板和芯板材料

2．1．3 三明治结构板的试件制备

2．2 实验方法及装置

2．2．1 外伸三点弯曲试验方法

2．2．2 弯曲试验装置

2．2．3 刚度计算

2．2．4 强度计算

2．3 有限元模型

2．4 母材及焊缝金属的力学性能

2．4．1 CCS-B船用钢母材及焊缝金属的力学性能

2．4．2 BS960高强钢母材及焊缝金属的力学性能

2．4．3 SPFH780高强钢母材及焊缝金属的力学性能

2．5 本章小结

第3章 Web-core全钢三明治结构板的力学行为

3．1 引言

3．2 Web-core全钢三明治结构板的刚度及接头几何参数的影响

3．2．1 三明治结构板H44t4的刚度

3．2．2 三明治结构板H60t5的刚度及接头几何参数的影响

3．2．3 三明治结构板H60t2．5的刚度及接头几何参数的影响

3．2．4 Web-core全钢三明治结构板刚度的公式的修正

3．3 Web-core全钢三明治结构板的弯曲变形行为

3．3．1 三明治结构板H44t4的弯曲变形行为

3．3．2 三明治结构板H60t5的弯曲变形行为

3．3．3 三明治结构板H60t2．5的弯曲变形

3．4 Web-core全钢三明治结构板的强度及接头几何参数的影响

3．4．1 三明治结构板H44t4的强度、失效及破坏形式

3．4．2 三明治结构板H60t5的强度、失效及破坏形式

3．4．3 三明治结构板H60t5的失效形式及接头几何参数的影响

3．4．4 三明治结构板H60t2．5的强度、失效及破坏形式

3．5 本章小结

第4章 T型接头的力学性能及工艺参数的影响

4．1 引言

4．2 实验方法及装置

4．2．1 T型接头的受力状态

4．2．2 T型接头力学性能实验装置及试样制备

4．3 不同工艺参数下T型接头力学性能试验

4．3．1 T型接头拉伸实验

4．3．2 T型接头剪切实验

4．3．3 T型接头弯曲实验

4．3．4 T型接头接头力学性能与工艺参数的表征

4．4 本章小结

第5章 结构参数对三明治结构板力学行为的影响

5．1 引言

5．2 面板厚度对Web-core三明治结构板力学行为的影响

5．2．1 面板厚度对web-core三明治结构板刚度的影响

5．2．2 面板厚度对web-core三明治结构板强度的影响

5．2．3 面板厚度对web-core三明治结构板失效形式的影响

5．2．4 面板厚度对web-core三明治结构板重量的影响

5．3 芯板参数对Web-core三明治结构板力学行为的影响

5．3．1 芯板结构参数Web-core三明治结构板刚度的影响

5．3．2 芯板结构参数对Web-core三明治结构板强度的影响

5．3．3 芯板结构参数对Web-core三明治结构板失效形式的影响

5．3．4 芯板结构参数对Web-core三明治结构板重量的影响

5．4 本章小结

第6章 多约束条件Web-core三明治结构板的优化设计方法

6．1 引言

6．2 多约束条件下的优化设计

6．2．1 多约束优化设计的数学模型

6．2．2 多约束结构优化的求解方法

6．3 多约束条件Web-core全钢三明治结构板的结构设计及实验验证

6．3．1 多约束条件Web-core全钢三明治结构板的结构设计

6．3．2 实验验证设计结果

6．4 四种结构的Web-core三明治结构板的力学行为比较

6．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及参与项目