孫九霄，鄭紹文，蔡敬標(biāo)

一種復(fù)合材料—鋼連接結(jié)構(gòu)極限承載能力試驗(yàn)與數(shù)值研究

孫九霄1，鄭紹文1，蔡敬標(biāo)2

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064
2中國人民解放軍92537部隊(duì)，北京100161

夾芯復(fù)合材料因其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)異，耐腐蝕，已被廣泛運(yùn)用于船舶行業(yè)。首先，以復(fù)合材料甲板室中的夾芯復(fù)合材料—鋼連接結(jié)構(gòu)為對象，通過試驗(yàn)，得到夾層板的載荷位移曲線，推斷出夾層板的極限載荷。然后，對經(jīng)典層合板理論、Reissener夾層板理論、Hoff夾層板理論和杜慶華夾層板理論進(jìn)行對比分析，并選用Hoff夾層板理論為理論模型，通過有限元軟件模擬分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性，可為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益的指導(dǎo)。

復(fù)合材料；連接結(jié)構(gòu)；極限強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：孫九霄，鄭紹文，蔡敬標(biāo).一種復(fù)合材料—鋼連接結(jié)構(gòu)極限承載能力試驗(yàn)與數(shù)值研究［J］.中國艦船研究，2015，10（1）：27-31，45. SUN Jiuxiao，ZHENG Shaowen，CAI Jingbiao.The experimental and numerical research on the extreme bearing ca?pacity of a composite-steel connecting structure［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（1）：27-31，45.

0　引言

近年來，隨著對復(fù)合材料研究的深入，復(fù)合材料成型技術(shù)越發(fā)成熟，先進(jìn)復(fù)合材料已被廣泛運(yùn)用于航空、航天、船舶等設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)上，因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)問題也就顯得尤其重要，是當(dāng)前研究的一個(gè)重要方向［1］。目前，國內(nèi)外關(guān)于夾層板的研究主要集中在彎曲性能、抗沖擊、侵徹、連接設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真等方面，這些研究的關(guān)注點(diǎn)主要為加筋和芯材對結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的影響［2-3］。本文將通過對甲板室外側(cè)壁板與鋼制圍欄板對接的模型進(jìn)行試驗(yàn)，得到載荷位移曲線，進(jìn)而獲得極限載荷。同時(shí)，將通過有限元的模擬分析，得到層合板的極限載荷，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證有限元模擬的可靠性，為層合板在艦船上的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

本文以典型輕甲板結(jié)構(gòu)室為對象，建立復(fù)合材料甲板室外側(cè)壁板與鋼質(zhì)圍欄連接的模型。以上層建筑水壓頭和波浪砰擊載荷為設(shè)計(jì)載荷，對15和70 kPa這2種工況的靜壓載荷進(jìn)行計(jì)算。夾層板采用蒙皮—芯材—蒙皮的形式，模型如圖1所示。

連接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)試樣總共制作6個(gè)，實(shí)物照片如圖2所示。

圖2　試件模型Fig.2　Samples of composites

試驗(yàn)加載方式采用懸臂梁頂端位移加載方式。在試件懸臂端墊置與試件同寬（約50 mm）、厚10 mm的鋼條，以保證靜力加載方式，壓頭載荷均勻作用于試件端部。

為了獲得載荷位移曲線，在層合板末端布置機(jī)械位移計(jì)。位移測量采用6鉆防震機(jī)械位移計(jì)，量程為0～10 mm；夾層板主體上表層最大主應(yīng)變測量采用電阻式應(yīng)變測量，數(shù)據(jù)采集采用MDR-80設(shè)備，彎曲加載狀態(tài)如圖3所示。

圖3　彎曲試驗(yàn)加載狀態(tài)Fig.3　Loading state of bending test

2　試樣工藝穩(wěn)定性試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證工藝的穩(wěn)定性，測試AC1結(jié)構(gòu)的初始彎曲剛度特性。分別針對試件AC1-W-3，AC1-W-4和AC1-W-5進(jìn)行線性載荷（1 kN）試驗(yàn)加載，每件重復(fù)3次。每件試件的加載載荷位移曲線如圖4所示。

圖4　穩(wěn)定性試驗(yàn)（載荷—位移曲線）Fig.4　Stability test（loading vs displacement）

由圖4可知：試件ACl-W-3重復(fù)加載3次后的載荷—位移曲線吻合度均較高；對于試件ACl-W-4，第1次加載在頂端位移16 mm（載荷0.70 kN）后載荷—位移曲線略有下降，后兩次（載荷1 kN）加載時(shí)的載荷—位移曲線吻合度很高；對于試件ACl-W-5，第1次加載在頂端位移12 mm（載荷0.56 kN）后載荷—位移曲線略有下降，后兩次（載荷1 kN）加載時(shí)的載荷—位移曲線吻合度很高。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，取其下限值，可以認(rèn)為AC1試件在頂端加載0.56 kN、橫向撓度12 mm以內(nèi)具有良好的可重復(fù)加載特性和工藝特性。

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，3個(gè)試件的載荷—位移曲線在頂端1 kN以內(nèi)載荷作用下的線性度非常好，計(jì)算彎曲剛度值分別為：

試件ACl-W-348.6 N/mm

試件ACl-W-443.1 N/mm

試件ACl-W-546.6 N/mm

3個(gè)試件的平均彎曲剛度值為46.1 N/mm。

3　強(qiáng)度試驗(yàn)

為測試AC1試件的彎曲強(qiáng)度特性，分別針對試件AC1-W-3，AC1-W-4和AC1-W-5進(jìn)行持續(xù)極限加載試驗(yàn)，直至試件出現(xiàn)破壞。3個(gè)試件加載的載荷—位移曲線如圖5所示。

圖5　極限加載試驗(yàn)（載荷—位移曲線）Fig.5　Extreme loading test（loading vs displacement）

由試驗(yàn)結(jié)果可知，3個(gè)試件在持續(xù)位移加載作用下，載荷—位移曲線的離散度較低，基本一致，表明試件制備工藝具有較好的穩(wěn)定性。分析試驗(yàn)結(jié)果，可知試件AC1在頂端位移加載時(shí)，在1.25 kN附近存在一個(gè)小幅拐點(diǎn)，此時(shí)測點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?.119×10-3ε，彎曲剛度存在一定的退化；極限載荷的下限在2 kN左右，極限抗彎強(qiáng)度高于550 N·m（力臂取加載中心點(diǎn)至圍欄板頂端的距離，為250 mm）。由圖5可知：層合板在工況1的工作載荷作用下，其對應(yīng)的承載載荷為0.36 kN，應(yīng)變?yōu)?.456×10-3ε，頂端撓度約7 mm；在工況2的靜壓載荷作用下，其對應(yīng)的承載載荷約為1.69 kN，應(yīng)變?yōu)?.081×10-3ε，頂端撓度約40 mm。

4　破壞模式試驗(yàn)分析

進(jìn)一步對AC1連接結(jié)構(gòu)的破壞模式進(jìn)行分析，以掌握AC1連接結(jié)構(gòu)彎曲承載的損傷特征規(guī)律，正確評價(jià)AC1連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和承載特性。首先，觀察AC1連接結(jié)構(gòu)在頂端載荷作用下的變形形態(tài)。如圖6所示，由于圍欄板厚度較大，且在跨中設(shè)置了肘板加強(qiáng)，因此抗彎剛度大，且隨著夾層板頂端位移的增加，AC1連接結(jié)構(gòu)的整體變形特征基本為以圍欄板頂部為邊界的懸臂板彎曲形態(tài)。

圖6　連接結(jié)構(gòu)變形形態(tài)Fig.6　Distortional configuration of connecting structure

由圖5可知，在加載載荷1.25 kN附近，連接結(jié)構(gòu)的載荷—位移曲線出現(xiàn)了第1個(gè)拐點(diǎn)，認(rèn)為此處對應(yīng)AC1連接結(jié)構(gòu)的初始損傷，但此時(shí)試件表面并未發(fā)現(xiàn)明顯的損傷現(xiàn)象，初始損傷應(yīng)為圍欄板跨中肘板尖端附近的夾芯芯材局部失效以及在夾層板與圍欄板頂端邊界接觸區(qū)出現(xiàn)的初始損傷。初始損傷出現(xiàn)后，剛度發(fā)生小幅下降，但對板的整體承載能力影響較小。板體持續(xù)承載，極限承載彎矩達(dá)到550 N·m后，載荷曲線趨于平緩，但未出現(xiàn)明顯的卸載現(xiàn)象。此時(shí)，檢查板體表面損傷情況，發(fā)現(xiàn)上表層過渡區(qū)根部出現(xiàn)了不太明顯的發(fā)白現(xiàn)象，如圖7所示。而下表層與圍欄板接觸區(qū)附近的發(fā)白現(xiàn)象則相對清晰，可以認(rèn)為是由于層合板下表層受壓基體碎裂損傷的結(jié)果。

圖7　連接結(jié)構(gòu)損傷情況Fig.7　Damage appearance of connecting structure

5　有限元分析

5.1失效準(zhǔn)則

在復(fù)合材料夾層板分析中，常用的理論分析模型有Reissener理論、普魯卡克夫—杜慶華理論及Hoff理論。Reissener理論是最簡單的夾層板理論之一，對解決很多實(shí)際問題比較實(shí)用。Hoff理論可以解決Reissener理論不能解決的問題，如集中載荷作用下的彎曲、固支邊附近的表層局部應(yīng)力等問題，在工程中得到了廣泛使用。在這些理論中，杜慶華理論考慮得最為全面，計(jì)算結(jié)果最為精確，但該理論使用起來繁雜而費(fèi)時(shí)，工程中較少應(yīng)用［4-6］。本文選用Hoff理論來對復(fù)合材料夾層板進(jìn)行分析。ANSYS公司已經(jīng)把建立在Hoff理論基礎(chǔ)上的夾層單元Shell 181加入到其單元庫內(nèi)。Shell 181單元是一個(gè)4節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度。該單元非常適合分析線性的、大轉(zhuǎn)動(dòng)變形和非線性的大變形問題，同時(shí)，也適用于多層結(jié)構(gòu)的建模。本文的有限元分析模型采用ANSYS軟件的Shell 181單元，采用Tsai-Wu準(zhǔn)則來判定模型是否失效。

其中：

式中：ε3為失效因子；σx，σy，σz分別為x，y，z這3個(gè)方向的應(yīng)力；σxy，σyz，σxz分別為xy，yz和xz這3個(gè)方向的切應(yīng)力；分別為x，y，z這3個(gè)方向的拉伸強(qiáng)度；分別為x，y，z這3個(gè)方向的壓縮強(qiáng)度；Cxy，Cyz，Czx為耦合系數(shù)。通過失效因子ε3是否大于1來判斷結(jié)構(gòu)是否失效，若大于1，結(jié)構(gòu)失效，反之，則沒有失效。

5.2試件材料參數(shù)

1）玻璃鋼表層。

彈性常數(shù)：E1=20 GPa，E2=20 GPa，G12=3 GPa，G23=0.99 GPa，G13=1 GPa，μ=0.26，ρ=1.8×103kg/m3。

強(qiáng)度指標(biāo)：S11max=400 MPa，S11min=-250 MPa，S22max=400 MPa，S22min=-300 MPa（其中正值為拉伸強(qiáng)度，負(fù)值為壓縮強(qiáng)度）；縱橫剪切強(qiáng)度為60 MPa。

2）PVC泡沫芯材。

彈性參數(shù)：E=90MPa，μ=0.31，ρ=0.08×103kg/m3。

強(qiáng)度參數(shù)：拉伸強(qiáng)度2.5 MPa，壓縮強(qiáng)度1.4 MPa，剪切強(qiáng)度1.15 MPa。

5.3ANSYS計(jì)算分析

軟件分析流程簡要概括為：

1）先輸入初始參數(shù)及材料屬性；

2）劃分網(wǎng)格，生成有限元模型；

3）定義載荷和邊界條件，進(jìn)行運(yùn)算；

4）查看夾層板是否失效，如果未失效，增加載荷再進(jìn)行運(yùn)算，如果失效，則停止計(jì)算。

施加載荷至首層失效后，整個(gè)夾層板還能繼續(xù)承受載荷，隨著載荷的增加，下一較弱的單層將會(huì)發(fā)生破壞，繼續(xù)增加載荷，直至所有單層失效。首層破壞后，各層的剛度會(huì)減小或取消，其中的機(jī)理尚不明確。首層破壞后，材料已呈現(xiàn)非線性，而且還需考慮層間應(yīng)力和層間強(qiáng)度的影響，導(dǎo)致末層破壞強(qiáng)度很難得到確定。采用首層失效的方法對夾層板進(jìn)行分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好［7-8］，故本文采用首層破壞強(qiáng)度來預(yù)測夾層板的極限強(qiáng)度。

由于模擬只預(yù)測夾層板的極限強(qiáng)度，故不考慮接連結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及連接部位的牢固性，只對夾層板進(jìn)行模擬。由于對接的鋼板厚度很大，默認(rèn)其在受壓過程中變形很小并且不影響夾層板的模擬結(jié)果，故將邊界約束定為：將夾層板與鋼板連接的部分進(jìn)行全約束。其有限元網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8　有限元網(wǎng)格Fig.8　Finite element mesh

當(dāng)施加載荷達(dá)到2.2 kN時(shí)，芯材最大失效因子為1.16，芯材出現(xiàn)破壞，其他各層的失效因子較小，并未發(fā)生失效。此時(shí)，層合板仍具有較好的承載能力，如果繼續(xù)加載，層合板不會(huì)出現(xiàn)明顯的卸載現(xiàn)象。由此，估計(jì)層合板極限載荷的下限為2.2 kN，如圖9所示。

圖9　失效因子Fig.9　Failure factor

6　ANSYS模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較分析

夾層結(jié)構(gòu)傳遞載荷的方式類似于工字鋼。上、下蒙皮主要承受由彎矩引起的面內(nèi)拉壓應(yīng)力和面內(nèi)剪切應(yīng)力，而芯材則主要承受由橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力。因粘結(jié)層芯材表面的空隙中填充了交聯(lián)劑/樹脂，提高了連接層泡沫的強(qiáng)度，故夾層板在加載破壞時(shí)，破壞位置一般位于粘結(jié)層下面的芯材部分。軟件模擬出現(xiàn)首層破壞后，夾層板其他各層仍能承載，夾層板整體仍具有良好的承載能力，不會(huì)出現(xiàn)明顯的卸載現(xiàn)象，與彎曲試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。由圖5的載荷—位移曲線得到試驗(yàn)下的彎曲極限載荷約為2 kN，與軟件模擬結(jié)果吻合較好。

ANSYS模擬結(jié)果與試驗(yàn)值的對比如表1所示。

表1　模擬結(jié)果與試驗(yàn)值對比Tab.1Comparison of simulation result and the experimental value

由表1可以看出，ANSYS計(jì)算得到的極限載荷與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差為10%，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好。

分析誤差產(chǎn)生的原因：

1）試驗(yàn)通過載荷—位移圖推出的極限載荷本身為估計(jì)值，會(huì)影響到結(jié)論的準(zhǔn)確性。

2）夾層結(jié)構(gòu)由不同的材料組成，不同材料組合時(shí)的本構(gòu)關(guān)系不能準(zhǔn)確模擬本構(gòu)關(guān)系來體現(xiàn)復(fù)合材料的整體性能。

3）模擬通過首層破壞得到夾層板極限載荷，并沒有考慮到夾層板的層間應(yīng)力和層間強(qiáng)度的影響，會(huì)對模擬試件產(chǎn)生一定的差異。

7　結(jié)論

本文從試驗(yàn)、理論研究以及有限元軟件模擬分析等方面研究了特定載荷作用下鋼—復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的極限載荷，并對結(jié)果進(jìn)行了對比，得到以下結(jié)論：

1）夾層板的破壞模式主要表現(xiàn)為尖端芯材壓潰和上、下表層抗彎失效，在達(dá)到極限強(qiáng)度后，仍具有較好的承載能力，無明顯的突發(fā)性卸載現(xiàn)象。

2）夾層板結(jié)構(gòu)具有良好的抗彎特性，由于跨

中處肘板的存在，跨中夾層板（芯材）易發(fā)生局部損傷，但能滿足工況1的工作載荷需要（安全系數(shù)約為5.5），且能滿足工況2的靜壓強(qiáng)度承載要求（安全系數(shù)約為1.4）。

3）有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好，可以用于夾層板鋪層的設(shè)計(jì)模擬分析，簡化夾層板的設(shè)計(jì)過程，為復(fù)合材料在艦船方面的運(yùn)用提供有益的指導(dǎo)。

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［責(zé)任編輯：盧圣芳］

The Experimental and Numerical Research on the Extreme Bearing Capacity of a Composite-Steel Connecting Structure

SUN Jiuxiao1，ZHENG Shaowen1，CAI Jingbiao2
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 The 92537thUnit of PLA，Beijing 100161，China

The composite sandwich plate has been widely used in the ship industry due to its excellent me?chanical property and antiseptic property.In this paper，a sandwich composite component applied on a com?posite deck-house（composite-steel connecting structure）is studied，whose design load and ultimate load requirements are obtained by analyzing the stress and strain of laminates under specific loads.Also，the classical lamination theory，Reissener sandwich plate theory，Hoff sandwich plate theory，and Du Qinghua sandwich plate theory are compared，where Hoff sandwich plate theory is finally chosen as the proper theo?retical model to verify the reliability of the presented technique.With finite element software simulation analysis，the actual results obtained in the test are validated through numerical simulation，which provides meaningful guidance for the future design of sandwich composite connecting structures.

composite material；connecting structure；ultimate strength；structure design

U663.9+9

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.004

2014-09-09

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-1-28 12:13

國家部委基金資助項(xiàng)目

孫九霄（通信作者），男，1981年生，博士，工程師。研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E?mail：sunjiuxiao2006@163.com

蔡敬標(biāo)，男，1967年生，碩士，高級工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E?mail：jingbiaocai@sina.com