武大江，梅志遠，周曉松

深水靜壓下混雜夾芯復合結構形變及強度特性

武大江，梅志遠，周曉松

海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢430033

針對混雜夾芯復合結構的典型結構和承載受力特征，以某水下平臺附體結構為背景展開研究。首先，設計試驗模型并進行耐壓承載特性試驗。然后，用Abaqus建立有限元分析模型，將仿真計算與試驗結果進行對比，驗證仿真分析的有效性，并在此基礎上進一步探討深水靜壓載荷作用下該結構各主要組成構件的變形及應力分布特征規(guī)律。最后，以鋼質框架與表層蒙皮相交應力集中區(qū)域的細節(jié)設計問題為對象，綜合評價了2種T型連接設計方案的合理性與可行性。結果顯示，芯材彈性模量在4～8GPa時可以避免蒙皮和芯材出現嚴重的應力集中，可為該類結構的后續(xù)工程設計提供參考。

混雜夾芯復合結構；深水靜壓；應力集中；有限元法

期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：武大江，梅志遠，周曉松.深水靜壓下混雜夾芯復合結構形變及強度特性［J］.中國艦船研究，2015，10（5）：47-52.

WU Dajiang，MEIZhiyuan，ZHOU Xiaosong.Deformation and strength characteristics of hybrid sandwich composite structuresunderstatic pressureindeepwaterenvironment［J］.Chinese Journalof Ship Research，2015，10（5）：47-52.

0　引言

復合材料在艦艇結構上的應用已有近70年的歷史，隨著復合材料技術的不斷發(fā)展更新，其在船舶行業(yè)中的應用也越來越廣泛［1-3］。復合材料具有耐腐蝕性、低磁性、高阻尼減振降噪和便于加工成型等優(yōu)良特性［4-5］，其廣泛應用深刻地影響了船舶行業(yè)的發(fā)展。

然而，由于設計和使用經驗的不足，我國艦艇復合材料結構至今未能得到大規(guī)模的應用。同時，出于結構安全性和可靠性的考慮，鋼/復合材料混合結構形式在現階段頻繁出現于實際工程［6］，尤其是水下結構平臺的設計領域中。本文所提出的混雜夾芯復合結構就是此類結構的典型代表之一。此類結構一般為實芯結構，在深水環(huán)境中將承受巨大的靜水壓力，從而改變原鋼質結構的非耐壓特性，導致結構設計載荷發(fā)生變化，帶來剛度和強度的設計問題。對此，本文擬針對混雜夾芯復合結構的典型結構及承載特征，通過采用試驗研究和仿真分析相結合的方法開展研究工作，以探討該類結構的變形和強度特征以及局部結構的細節(jié)問題。

1　混雜夾芯復合結構特征及試驗模型設計

1.1混雜夾芯復合結構特征

傳統(tǒng)的水下平臺非耐壓結構一般由縱橫交叉的鋼質框架和鋼質蒙皮組成，如水下平臺的操縱面和非耐壓舷間殼體結構等。此類結構上一般設置流水孔，不承受靜水壓力作用。而混雜夾芯復合結構一般保留內部鋼質框架結構，在板格內部填充輕質芯材，并采用復合材料取代原有的鋼質蒙皮。此類結構較原非耐壓結構具有無腐蝕、水下質輕以及功能可設計性優(yōu)良等綜合優(yōu)勢，現已在水下結構平臺設計領域得到廣泛應用［7］。典型的混雜夾芯復合結構形式如圖1所示?？蚣芙Y構作為支撐構件一般為鋼質結構；填充芯材多為低模量的輕質或浮力材料；表層采用復合材料層合板蒙皮，包覆整個結構，形成封閉整體。

圖1　混雜夾芯復合結構原理示意圖Fig.1　Principle of hybrid sandwich composite structure diagram

1.2試驗模型設計

本文以某水下平臺附體結構的設計為背景，設計了一個混雜夾芯復合結構的典型單元結構模型，模型存在傾斜面和弧形過渡面，鋼框架縱橫交叉形成方格區(qū)域，橫向框架上有鋼質板條，主要構件尺寸如圖2所示。主要材料參數見表1，其中，E為彈性模量，G為剪切彈性模量，ν為泊松比。

圖2　典型結構單元模型Fig.2　Unitmodelof typicalstructure

表1　模型主要材料參數Tab.1　M ain m aterial param eters in m odel

2　深水靜壓承載特性模型試驗及有限元對比分析

2.1模型試驗

為了探究試驗模型在深水靜壓環(huán)境下的整體受力和變形情況，將其放入壓力筒試驗機中進行靜壓加載，以模擬深水靜壓環(huán)境，試驗系統(tǒng)構成如圖3所示。

圖3　壓力筒試驗系統(tǒng)Fig.3　Testsystem ofpressure vessel

在試驗模型上布置3個應變測點和1個位移測點，測點布置如圖4所示，其中應變測點1位于框架左下方中心位置；測點2和3分別位于框架橫向和縱向鋼板位置，位移測點位于框架右下方中心位置。模型應變數據采用電阻式應變片測量，通過彈簧鋼片上測得的應變數據轉換得到相對位移。試驗加載工況為：1，2，3，4和4.5MPa，分別模擬100，200，300，400和450 m水深時的靜水壓力。試驗模型放置及試驗測試狀態(tài)如圖5所示。

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圖4　應變和位移測點位置Fig.4　Position of strain and displacementmonitoring

圖5　靜壓試驗狀態(tài)Fig.5　Hydrostatic teststatus

2.2試驗和仿真結果對比分析

為深入研究深水靜壓載荷作用下典型單元結構模型的承載受力及變形特性，本文利用通用有限元分析軟件Abaqus/Standard建立有限元仿真模型，并對試驗工況進行仿真分析。仿真計算模型中對鋼質框架、填充芯材以及表層復合材料均采用三維實體單元進行建模，網格劃分采用8節(jié)點六面體線性完全積分單元。材料參數見表1，均布壓強施加在模型表面。

對試驗測試結果與仿真計算結果進行對比分析，主要結論如下：

1）結構承載能力評價：在4.5MPa試驗工況下，測量的應變峰值為1 267με，位移測點峰值0.43 mm。試驗后模型表面完整性良好、未出現明顯的破壞，表明結構具有良好的結構承壓特性。

2）應變特征對比：各應變測點位置的有限元仿真值與試驗值基本吻合，誤差率小于8.5%。由圖6可知：測點1～3在0～4.5MPa加載時，應變/載荷曲線吻合度很高。

3）位移特征對比：位移測點在0～4.5MPa加載時，試驗和有限元計算值的線性度均較好，試驗和仿真值變化率分別為0.1和0.07 mm/MPa，仿真值略小于試驗值。

對比分析試驗和仿真結果，二者應變和位移均隨載荷線性增加，誤差率小于10%，滿足工程精度要求，表明有限元仿真分析是合理有效的。

圖6　應變和位移的試驗仿真對比Fig.6　Comparison ofstrain and displacementbetween test values and finite elementsimulations

3　組成構件形變和強度特性

3.1表層位移及應力分布特征

表層蒙皮的變形將導致結構的型表面特征發(fā)生變化，并可能進一步影響其水動力特性。此外，蒙皮結構的破損將導致內部進水，破壞結構強度，因此對表層位移及應力集中特征進行探討十分必要。

蒙皮在單個框架板格內的變形模式符合彈性基礎四邊固支矩形板的彎曲變形特征［8］，撓度峰值位于板格中心，位移云圖如圖7所示。

圖7　蒙皮位移云圖Fig.7　The contours of skin displacement

表層復合材料在框架板格區(qū)域的材料方向定義見圖2，應力分布有如下特點：

1）正應力σ1，σ2在縱向鋼質框架和橫向鋼質邊板處出現應力集中。

2）剪應力τ12集中于在鋼質框架的角點區(qū)域出現集中。

表層蒙皮的應力分布集中區(qū)域如圖8所示。由于蒙皮、鋼框架和芯材的交界面存在剛度突變［9］，鋼框架受壓變形小，浮體芯材變形較大，導致蒙皮的變形出現突變，造成局部應力集中。關于應力集中區(qū)域的細節(jié)設計問題，將在第4節(jié)中展開討論。

圖8　蒙皮應力集中區(qū)域Fig.8　Skin stress concentration areas

3.2鋼框架的強度特性

相較于傳統(tǒng)鋼質透水結構，混雜復合結構將承受靜水壓力，從而帶來了鋼質框架結構強度校核的設計要求。

鋼框架應力云圖如圖9所示。從圖中可以看出，框架縱橫交叉處存在明顯應力集中，應力約為80～130MPa。局部區(qū)域存在較高的應力峰值，如左側板條和頂部剛質邊板相交處應力為198MPa，與底部鋼質邊板相交處應力達到224MPa。若考慮鋼質耐壓結構設計的安全系數等因素，則此類區(qū)域的強度能否滿足設計要求需要進一步討論。

圖9　鋼框架應力云圖Fig.9　The contours of steel frame stress

4　應力集中區(qū)域的細節(jié)設計

如前文所述，混雜夾芯復合結構在其截面方向的應力分布是不均勻的，局部區(qū)域存在應力集中。試驗模型中存在2種不同的鋼框架與蒙皮T型連接形式，其應力分布特性也存在不同。在鋼框架橫向鋼板與蒙皮T型連接區(qū)域，鋼框架上加有厚6 mm寬20 mm的鋼質邊板；縱鋼板T型連接區(qū)域無邊板，而中間縱向鋼板和蒙皮之間有6 mm厚的過渡材料，截面形式如圖10所示。模型坐標見圖2，以垂直于蒙皮表面的方向為 z方向。分別對2種連接形式進行討論分析。

圖10　蒙皮與框架交接處截面圖Fig.10　Skin and frame junction

4.1鋼質板條寬度的探討

在第1種T型連接區(qū)域中，鋼質板條的寬度為20mm，表層蒙皮有較高的應力集中峰值，以4.5MPa工況為例，蒙皮面內正應力σx約為21.5MPa。鋼質板條寬度對連接區(qū)域的剛度有較大影響，因此以鋼質板條寬度為變量探討蒙皮應力峰值的變化。

考慮無鋼質板條，即鋼骨架直接與蒙皮接觸的情況，此時蒙皮應力峰值約為21.6MPa，和寬度為20mm情況相差小于1%。

增大鋼質板條寬度到40 mm，蒙皮應力峰值降為19.9MPa，較20mm板條降低7.4%。

增大鋼質板條寬度到60 mm，蒙皮應力峰值降為19.1MPa，較20 mm板條降低9.4%。

進一步分析，當鋼質板條寬度為20 mm時，z向位移約為0.012mm，與厚度相比可以忽略，因此蒙皮應力水平和無鋼質板條一致。

隨著鋼質板條寬度增加，其z向位移雖有增加，但最大僅為0.068mm，整體較小。蒙皮應力峰值有所降低，但幅度較小，低于10%。且鋼質板條寬度增加，導致鋼質板條與框架連接處局部應力增大。由此得出：增大鋼質板條寬度以降低蒙皮應力的方案不可取。

4.2過渡材料彈性模量的探討

在第2種T型連接的區(qū)域中，過渡材料連接鋼骨架和蒙皮，對蒙皮應力水平有重要影響，如果過渡材料為鋼，蒙皮面內正應力σy約為21.4 MPa；若過渡材料為泡沫（E=500MPa，v=0.3），則蒙皮面內正應力σy降低為11.6MPa，但芯材在和蒙皮與泡沫交界處的Mises應力迅速增大，變?yōu)?.9MPa。綜合分析，第2種T型連接區(qū)域的過渡材料選用高模量材料，則蒙皮正應力集中較嚴重，過渡材料選用低模量材料，則芯材在材料交界面處應力集中較嚴重。為避免出現這2種情況，過渡材料應具有合適的彈性模量區(qū)域。本文通過仿真，計算得出蒙皮在交界區(qū)域正應力和芯材在交界面的M ises應力隨過渡材料（v取0.3）的彈性模量的變化曲線，如圖11（橫坐標為對數刻度）所示。

圖11　蒙皮和芯材應力隨過渡材料彈性模量變化圖Fig.11　Variation ofskin and corematerialstresseswith respect to transitionmaterials elasticmodulus

分析圖11可知，蒙皮應力集中峰值和芯材應力集中峰值隨過渡材料彈性模量變化曲線分別在8和4 GPa出現拐點，4 GPa以下，芯材應力增加明顯，8 GPa以上時芯材模量減低不明顯，但蒙皮應力集中加劇，故過渡材料的選擇應考慮彈性模量范圍為4～8 GPa。

4.3對比分析

對比2種T型連接方案：第1種方案中表層蒙皮有較高的應力集中峰值，4.5MPa工況下，蒙皮面內正應力峰值達到21.5MPa；而第2種方案中，合理地選擇過渡材料的彈性模量（以E=4 GPa，v=0.3為例）蒙皮的面內正應力為17.1 MPa，較第1種形式降低20%。

5　結論

通過對混雜夾芯復合結構在深水載荷作用下的形變和強度特性進行模型試驗和仿真分析，可以得出如下結論：

1）基于Abaqus的有限元仿真分析，與模型試驗結果有較高的吻合度，驗證了仿真計算的可靠性，是后續(xù)分析的基礎。

2）蒙皮包覆整個結構，并直接承受靜壓載荷，由于蒙皮、鋼框架和芯材交界面存在剛度突變，導致蒙皮在鋼框架和芯材交界處產生應力集中。

3）由于鋼質框架在深水環(huán)境中承受靜水壓力，鋼框架縱橫交叉處存在明顯應力集中，應力約80～130MPa，局部區(qū)域應力峰值達到224MPa，此類區(qū)域的強度能否滿足設計要求需要進一步討論。

4）第2種T型連接方案中，過渡材料選用高模量材料，則蒙皮正應力集中較嚴重，過渡材料選用低模量材料，則芯材在材料交界面處應力集中較嚴重。為避免出現這種情況，本文通過仿真計算，得出過渡材料的合理彈性模量范圍為4～8GPa。

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［責任編輯：胡文莉］

Deform ation and strength characteristicsof hybrid sandw ich com posite structures under static p ressure in deep water environm ent

WU Dajiang，MEIZhiyuan，ZHOU Xiaosong
Departmentof Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

According to the typical structure of hybrid sandwich composite structures and the corresponding bearing force characteristics，this paper takes a certain submerged p latform appendage structure as the research target.First，a model test scheme is designed，and the experimental study on compression load-bearing characteristics is carried out.Then，the Abaqus finite elementmodel is established，whose validity is verified through comparative analysiswith the experimental data.On this basis，further discussion about the deformation and strength characteristics of the main component of hybrid sandwich composite structures under static pressure in deep water environment is put forward.Finally，considering the design problem of the stress concentration area between steel frame and surface skin，the rationality and feasibility of the comprehensive evaluation of two types of T connection design are estimated.The results show that serious stress concentration of the skin and the corematerial could be avoided when the elasticmodulus of the corematerial is between 4～8 GPa，which serves as valuable reference for future engineering design.

hybrid sandwich composite structure；deep water pressure；stress concentration；finite elementmethod

U663.9

ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.008

2015-01-19網絡出版時間：2015-10-8 11∶10

國家自然科學基金資助項目（51479205）

武大江，男，1990年生，碩士生。研究方向：船體結構強度與振動。E-mail：tlbsjagk@sina.com

梅志遠（通信作者），男，1973年生，博士，副教授，碩士生導師。研究方向：船用復合材料應用工程。

E-mail：zhiyuan_mei@163.com

網絡出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1110.020.htm l