朱子旭，朱 錫，李永清，陳 悅

(海軍工程大學艦船工程系，湖北 武漢 430033)

0 引 言

復合材料，特別是纖維增強復合材料，由于其優(yōu)良的物理性能，以及結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。以復合材料為面板的三明治夾心結(jié)構(gòu)由于其具有良好的比強度、阻尼特性[1]，以及巨大的比剛度優(yōu)勢，被應(yīng)用于船舶、航空航天、道路橋梁等對材料要求很高的領(lǐng)域。對于固體材料，在引入復合材料夾心結(jié)構(gòu)后，為達到相同承載要求增重了6%的情況下，結(jié)構(gòu)總體剛度可增加37倍之多[2–3]。與此同時，復合材料夾芯結(jié)構(gòu)除了擁有復合材料本身的優(yōu)良特性，還因為其芯材的多樣性和可設(shè)計性，從而可以同時具備其他的特性，例如聲學特性、熱學特性等。其新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，也能提升其性能，從而使其可以滿足一些特殊工況下的工程性能要求。

本文針對復合材料夾芯結(jié)構(gòu)，針對其特種性能、特種結(jié)構(gòu)、力學分析方法、制造工藝以及其在船舶工程方面的應(yīng)用幾個方面，對其在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行綜述，從而提出復合材料夾芯結(jié)構(gòu)在未來可能的發(fā)展趨勢與研究方向。

1 復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式研究

復合材料夾芯結(jié)構(gòu)是指在具有一定厚度的芯材兩側(cè)貼上復合材料板作為蒙皮的三明治結(jié)構(gòu)。復合材料面板可選用樹脂基、陶瓷基、金屬基等纖維增強材料，芯材也可以選用泡沫、橡膠、陶瓷、金屬等。在大多數(shù)工程情況下，為了利用復合材料夾芯結(jié)構(gòu)重量輕，強度高的特性，選用較輕質(zhì)的材料類型。復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的一般形式為：碳纖維或者玻璃纖維增強樹脂基復合材料為面板，密度小于1 kg/m3的輕質(zhì)泡沫、橡膠等材料。

復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的芯材具有很強的可設(shè)計性，除了通過改變芯材的材料來改變結(jié)構(gòu)整體的性能，還能通過芯材或者表層的特種結(jié)構(gòu)設(shè)計來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的性能。通常增強形式有在芯材中加入增強構(gòu)件，例如短切纖維增韌泡沫芯材[4]、橫隔板增強型泡沫[5]、Z向增強型芯材[6]、X-cor夾層結(jié)構(gòu)[7]等；或者是對芯材結(jié)構(gòu)進行特種設(shè)計，例如蜂窩夾芯板[8–10]、點陣夾芯結(jié)構(gòu)[11]；或者對芯材連同表層進行特種結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如復合材料環(huán)形夾芯柱[12]、夾芯復合材料箱型導梁[13]。

1.1 增強構(gòu)件研究

在軟質(zhì)芯材中添加模量高的增強構(gòu)件，可以顯著增強夾芯結(jié)構(gòu)的力學性能。夾芯結(jié)構(gòu)本身具有一定的結(jié)構(gòu)缺陷，芯材為了減少結(jié)構(gòu)重量的同時增加結(jié)構(gòu)抗屈曲能力，往往選用模量較低的泡沫類材料，所以在一定的工況下，復合材料夾芯結(jié)構(gòu)易發(fā)生芯材剪切破壞，需要對泡沫芯材進行增強[5]。橫隔板和Z向增強結(jié)構(gòu)可以有效增加芯材的抗剪強度。由于泡沫材料有可能在受到正應(yīng)力的情況下發(fā)生壓潰，所以可以引入X-cor或K-cor夾層結(jié)構(gòu)，其除了增強結(jié)構(gòu)的抗剪強度，還能顯著增加結(jié)構(gòu)的抗壓強度。X-cor和K-cor的主要區(qū)別是，X-cor的外伸段嵌入面板中，而K-cor的外伸段在界面處彎折，并不嵌入面板內(nèi)[5]。對于此類增加板構(gòu)件對芯材增強的結(jié)構(gòu)，其主要研究方向是對板構(gòu)件的布置和材料種類進行優(yōu)化設(shè)計，布置方案包括增強構(gòu)件的間距、厚度和角度（X-pin）。例如，經(jīng)研究可知，當Z-pin的體積分數(shù)、模量和直徑增大時，X-core的剪切模量隨之增大，當Z-pin的體積分數(shù)固定，Z-pin的角度為45°時，結(jié)構(gòu)的剪切模量打到最大[7]。對于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)，面板和芯材間的界面容易發(fā)生在加工或使用過程中產(chǎn)生缺陷，界面損傷破壞也是最常見的結(jié)構(gòu)失效模式之一[4]。對此，增強界面的增強構(gòu)件對增加結(jié)構(gòu)的整體力學性能也有很大的影響，例如X-cor夾層結(jié)構(gòu)，短切纖維增韌泡沫夾芯結(jié)構(gòu)都可以將層間界面的剪切應(yīng)力傳遞到橫向的增強結(jié)構(gòu)上，從而有效增加界面的抗剪強度。

1.2 特種芯材的夾芯結(jié)構(gòu)研究

使用特種芯材同樣可以顯著改變結(jié)構(gòu)的物理性能，蜂窩芯材具有高剪切性能，輕木芯材具有高壓縮性能，而泡沫芯材需要好的絕熱性能[8]。所以針對不同的工程需求可以使用不同的特種芯材，其中由于蜂窩夾芯復合材料具有優(yōu)良的力學性能，被廣泛應(yīng)用于飛機、火車車廂、船舶和建筑等領(lǐng)域。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)件可以比傳統(tǒng)材料構(gòu)件分別減輕其重量的50%和75%，美國的B-58高速轟炸機的外形面積的85%以上使用了蜂窩夾芯材料，民用客機例如波音747客機上，同樣使用大量的蜂窩夾層材料，其壽命可達20 000 h，而且減輕的重量可以增加乘客的數(shù)量[8]。由于蜂窩夾芯復合材料在各個工程領(lǐng)域中承擔了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的功能，所以其在一定程度損傷后的剩余力學性能也是一個研究的要點。文獻[9]中，通過試驗驗證了復合材料蜂窩夾芯板在低速沖擊損傷后的壓縮能力變化。由試驗結(jié)果分析可知，側(cè)向的低速沖擊損傷嚴重影響了復合材料蜂窩夾芯板的壓縮性能，隨著沖擊能量的增加，結(jié)構(gòu)的剩余壓縮強度隨之減?。粖A芯結(jié)構(gòu)前面板的性能決定了壓縮破壞的形式是局部失穩(wěn)還是強度破壞；可以通過使用平紋玻璃布作為面板來減小沖擊損傷，且使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷容易探知[9]。除了蜂窩結(jié)構(gòu)外還有一些新型的特種夾芯結(jié)構(gòu)，例如點陣夾芯結(jié)構(gòu)。點陣夾芯結(jié)構(gòu)是一種特殊形式的夾芯結(jié)構(gòu)，其中沒有連續(xù)的整體芯材，而是使用沿結(jié)構(gòu)厚度方向布置的分離的復合材料纖維柱或纖維筒連接兩邊的面板，如圖2所示。點陣夾芯結(jié)構(gòu)由于使用全復合材料，可以使用一體加工工藝整體成型，從而規(guī)避了普通復合材料夾芯結(jié)構(gòu)層合時的界面連接問題，從而減少了產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷、工藝缺陷的可能。其整體結(jié)構(gòu)因為厚度的增加和普通的夾芯結(jié)構(gòu)一樣可以提高板的抗彎抗剪能力，而由分離的高模量復合材料柱組成的芯材，其抗壓能力并不弱于整體的低模量芯材。其密度比普通的夾芯復合材料結(jié)構(gòu)更小，比強度、比剛度、緩沖吸能性能更好[11]。

1.3 特種復合材料夾芯工程構(gòu)件研究

此外，由于復合材料結(jié)構(gòu)在特殊工程狀況下的應(yīng)用需求，一些特種的復合材料夾芯結(jié)構(gòu)特別設(shè)計出來，例如復合材料環(huán)形夾芯柱和夾芯復合材料箱形導梁。礦業(yè)護井柱需求高承載能力，離散性小，耐腐蝕性好，質(zhì)量輕，而且能在潮濕環(huán)境下具有較長服役期的新型材料結(jié)構(gòu)。目前常用的材料有木柱、混凝土柱、液壓式鋼柱等，都不能在各方面達到工程要求[12]。文獻[12]中介紹的大直徑木材夾芯環(huán)裝纖維復合材料支護柱具有傳統(tǒng)材料所不具備的各方面性能，除了可以應(yīng)用于礦業(yè)，還可以廣泛適用于建筑業(yè)。

導梁是為了減少橋梁架設(shè)過程中橋梁體的內(nèi)應(yīng)力，加大頂推跨度而在主梁前段設(shè)置的臨時結(jié)構(gòu)，在大跨度橋梁的建設(shè)中起到重要的作用。復合材料夾芯結(jié)構(gòu)自重輕，力學性能好而且可設(shè)計能力好，故可以設(shè)計成箱形結(jié)構(gòu)形式的導梁。復合材料夾芯導梁可以使用蜂窩芯材進一步減輕重量，而且可以通過仿真計算，對結(jié)構(gòu)度局部鋪層角進行優(yōu)化設(shè)計從而控制結(jié)構(gòu)的撓度分布[13]。

圖 2 點陣夾芯結(jié)構(gòu)示意圖[14]Fig. 2 Composite lattice truss core sandwich structure

圖 3 復合材料環(huán)形夾芯柱[12]Fig. 3 Sandwich composite pillar

2 復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的非力學性能研究

復合材料夾芯結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計，具有一些特種性能，并應(yīng)用在一些特定的情況下。 其可以具有的特種性能主要包括熱學性能、電學性能、聲學性能等。

2.1 熱學性能研究

在航空航天、核設(shè)施等工程領(lǐng)域中，復合材料結(jié)構(gòu)需要在高溫環(huán)境下工作，對其進行力學分析的同時必須考慮其熱學性能的影響，因此復合材料結(jié)構(gòu)的熱傳導和熱效應(yīng)研究也是復合材料領(lǐng)域的一個熱點[15]。對于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)，由于芯材的存在，其熱效應(yīng)溫度場的分布特點有別于普通的復合材料結(jié)構(gòu)，芯層內(nèi)部各處溫度值和溫度變化率都是連續(xù)的，但是在芯層與面板交界處的溫度值連續(xù)，溫度變化率并不連續(xù)。針對這個復雜問題，需要基于有限元模型來建立復合材料夾芯結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場分析有限元非線性方程。通過數(shù)值算例求解，可以證明有限元模型分析的有效性，并得到瞬態(tài)的溫度場結(jié)果[16]。除了熱學性能，溫度本身還會影響復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的其他性能，例如介電性能。在濕熱環(huán)境下，復合材料面板對PMI泡沫芯材可以起到保護作用，從而降低其吸濕率，進而影響材料的介電常數(shù)[17]。濕熱環(huán)境的影響可以通過實驗的方法進行驗證。

圖 4 典型復合材料夾芯結(jié)構(gòu)溫度場結(jié)果[16]Fig. 4 Typical sandwich composite structure temperature field result

2.2 聲學性能研究

由于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)面板和芯材的可設(shè)計性，可以設(shè)計得到具有吸聲吸波性能的材料以應(yīng)用于艦船聲隱身領(lǐng)域[18]。經(jīng)研究可知，聚氨酯泡沫有良好的吸波吸聲性能[19]，可作為復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的芯材。此外，由于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)本身具有可設(shè)計的、較高的阻尼性能[20]，且力學性能優(yōu)良，所以這種結(jié)構(gòu)非常適合制造潛艇的結(jié)構(gòu)[21]。

復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的聲隱身性能研究主要包括2個方面，材料研究和結(jié)構(gòu)研究。經(jīng)過計算分析，使用碳/玻璃纖維混雜成型的復合材料作為面板，用聚氨酯阻尼吸聲材料作為芯材的夾芯結(jié)構(gòu)，相比于鋼結(jié)構(gòu)可以大大降低其振動水平[22]。利用數(shù)值計算和有限元仿真方法，可以對復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的各層材料參數(shù)，例如厚度、聲特性阻抗和損耗等性能進行設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的力學性能和聲隱身性能，其聲隱身能力也高于鋼結(jié)構(gòu)[18]。

3 復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的力學分析方法研究

由于復合材料夾芯材料作為結(jié)構(gòu)材料在各個工程領(lǐng)域有大量的應(yīng)用，其力學性能分析研究擴展到了很多方面，主要包括強度分析、剛度分析、損傷破壞分析、屈曲分析等。

3.1 基本模型與強度分析研究

對于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)，因為其結(jié)構(gòu)復雜，芯材和面板有不同的力學性能，而應(yīng)力和變形在芯材和面板之間的傳遞還需要收到界面性能的影響，所以復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的力學計算有別于普通的板殼梁的力學計算，有其獨特的復雜性。在以往的研究中已經(jīng)提出了一些計算模型[23]，常見的理論可以歸納為以下幾種類型：

1）Reissnei型理論將表層的復合材料面板看做為薄膜，認為其值承受平面力，不考慮板自身的抗彎剛度，對于芯材則認為只承受剪切作用；

2）Hoff型理論將面板看做為普通的薄板，而芯材仍只承受剪切作用；

3）пpycaкoв-杜慶華型理論將面板看做為薄板，不同的是認為芯材除了承受剪切外，還收到其自身橫向的彈性變形的作用。

以上幾個計算模型都認為芯材并不傳遞厚度方向上的正應(yīng)力，即夾芯結(jié)構(gòu)的前后面板是獨立變形的。雖然這些方法簡化了復雜的模型，但是在很多實際工程中其計算結(jié)果出入較大。所以在實際工程分析中往往使用高階理論分析或者有限元法進行計算[24–25]，有限元算法可以較好地模擬實際工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但是其計算過程復雜，無法得到直觀的解析公式，只能針對工程個案進行分析，難以直接指導工程設(shè)計。也有文獻利用較復雜的理論模型，將芯材的剪切變形考慮緊層合梁的彎曲理論進行計算[26–29]。這種方法是通過變形假設(shè)，利用力平衡方程和幾何方程，列出芯材剪力為變量的二階微分方程，從而用邊界條件推算出芯材剪力，進而求出撓度和面板的彎矩和剪力。使用這種復雜的簡化模型進行計算其分析難度遠大于前文所提到的3個簡單模型，但是其計算精度大大提高[30]。通過實驗與計算的對比，這種復雜模型的計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的誤差依然大于20%[31]。所以以目前的研究現(xiàn)狀，使用有限元仿真計算分析復合材料夾芯材料工程問題較其他方案精確。

3.2 剛度分析研究

對于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)，其芯材的彈性模量往往遠小于復合材料面板，在連續(xù)變形下各層的應(yīng)力分布不均勻。在很多工況下，加載區(qū)附近的局部會產(chǎn)生遠大于其他區(qū)域的應(yīng)力和變形的局部變形現(xiàn)象。局部破壞，例如局部的材料屈服、屈曲、剪斷，會先于整體破壞發(fā)生[32]，而且由于低模量芯材的塑性變形夾芯板內(nèi)部會有局部的殘余變形[33]，所以對復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的剛度分析和局部剛度優(yōu)化設(shè)計對于結(jié)構(gòu)的整體承載能力有很大的影響。文獻[32]和文獻[34]中，通過對簡化模型的理論推導，得到了2種可靠的復合材料夾芯結(jié)構(gòu)變形計算公式。其中文獻[32]中使用的無量綱基本方法和半解析分析方法相對簡單，且計算結(jié)果和實驗結(jié)果較為符合。用F（x，y）和W（x，y）表示應(yīng)力函數(shù)和受載荷面板與另一面板之間的相對撓度。對于反對稱角或者對稱正交鋪設(shè)層合面板的局部變形問題，其無量綱控制方程為：

式中：λcr為受載荷面板的局部屈曲載荷；Sx與Sy為中面壓力比例因子。λcr=0時，所分析問題為局部的彎曲問題，當橫向載荷q=0時對應(yīng)于局部屈曲問題。然后利用半解析分析方法將面板劃分成子域后組裝，可推導得到受載面板的整體平衡方程[32]：

3.3 屈曲分析研究

由于復合材料層合板其自身穩(wěn)性較差，而且工程中使用的復合材料夾芯結(jié)構(gòu)往往尺寸較大，所以屈曲分析也是其力學分析中的一個重點。一種屈曲問題研究方法是，首先建立結(jié)構(gòu)的幾何方程、物理方程和應(yīng)變能表達式以及在給定載荷條件下的外力勢能表達式，然后根據(jù)位移的邊界條件利用正交的三角級數(shù)構(gòu)造結(jié)構(gòu)的位移模態(tài)，最后根據(jù)最小勢能原理求解結(jié)構(gòu)屈曲的臨界載荷[35]。此外，也可以通過最小勢能原理和能量變分方法建立復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制方程[36]。文獻[37]使用一階殼變形理論和Rayleigh-Ritz理論來近似確定復合材料夾芯板的位移場，從而計算屈曲載荷。其計算結(jié)果良好地遵從了分層理論（layerwise theory），證明復合材料夾芯板的屈曲問題可以使用分層理論進行分析[37]。除了理論數(shù)值計算，還可以通過有限元仿真計算的方法得到目標結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)和屈曲載荷，經(jīng)過與試驗結(jié)果的對照，有限元計算的結(jié)果比較精確[38]。通過計算，可以對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，改進鋪層角，改變芯材來提高結(jié)構(gòu)的屈曲載荷，增強其承載能力。

3.4 損傷破壞分析研究

復合材料夾芯結(jié)構(gòu)損傷問題，主要包括結(jié)構(gòu)失效問題、裂紋擴展問題和損傷后剩余強度問題，研究的方法以試驗研究和有限元仿真計算為主。文獻[39]研究了蜂窩芯材夾芯結(jié)構(gòu)和泡沫芯材夾芯結(jié)構(gòu)在剪切作用下的破壞行為，發(fā)現(xiàn)芯材的橫向剪切模量對夾芯結(jié)構(gòu)的失效模式有直接的影響。使用模量較高的蜂窩芯材的夾芯結(jié)構(gòu)，其屈曲載荷高于泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，較不容易發(fā)生屈曲。對于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，其破壞模式均為面板沿加載對角線方向鼓起破壞[39]。界面問題具有復雜性，工藝過程中的缺陷，疲勞老化，界面材料的不均勻使得界面中容易出現(xiàn)缺陷。所以當復合材料夾芯結(jié)構(gòu)承載時，裂紋容易在界面處產(chǎn)生，也容易沿著界面擴展。研究裂紋擴展問題的主要方法是針對雙懸臂梁試件（DCB）進行兩側(cè)面板對拉的實驗和有限元仿真。從結(jié)果可知，面板和芯材的模量差距越大，著裂尖模態(tài)比越大，則發(fā)生曲折破壞的破壞角越大。裂紋延展的路徑往往先沿著界面延伸后以一定的破壞角進入芯材，之后在芯材中延平行于界面的方向擴展[40]。由于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，低模量的芯材和界面區(qū)域容易出現(xiàn)損傷，而這些損傷往往不易探知，所以其損傷后的剩余承載能力問題也需要研究。文獻[41]研究了受到低速沖擊后的蜂窩夾芯板的力學性能問題，低速沖擊會使復合材料蜂窩夾芯板的彎曲強度大幅度降低，損傷后的夾芯板受到彎曲載荷時，其前面板發(fā)生界面分層擴展，然后前面板分層出現(xiàn)的子層發(fā)生局部屈曲從而導致結(jié)構(gòu)破壞。

4 復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的制造工藝研究

復合材料夾芯結(jié)構(gòu)通常使用 RTM[42–43]，VARTM[44]，VARI[45]工藝進行制造生產(chǎn)。對于一些特種結(jié)構(gòu)或者特種需求也會更改工藝細節(jié)或者使用別的制造工藝，例如全部用復合材料備制的點陣夾芯結(jié)構(gòu)可以使用預浸料鋪放工藝，通過熱壓技術(shù)一體化成型[14]?；蛘邔ε菽瓓A芯管采用預制芯材然后使用復合材料纏繞工藝制造內(nèi)外蒙皮的工藝方法[46]。

4.1 工藝比較分析

比較幾種工藝的特點，使用RTM，VARTM和模具成型工藝所得到的試件尺寸和表面形狀比較容易控制，成品的外形不需要額外的加工，但是在成型過程中無法監(jiān)測模具內(nèi)部的狀況，有可能發(fā)生芯材變形造成報廢。所以推薦在使用密度較大的密實芯材時使用以上幾種工藝進行制造生產(chǎn)[42]。在使用VARI工藝制造復合材料夾芯結(jié)構(gòu)時，可以在成型過程中監(jiān)測真空袋內(nèi)部的情況。但是需要對浸膠進行精確的控制，防止過度浸膠、未浸膠、殘留氣泡等問題，以保證成品的質(zhì)量[44]。為了提高成品的質(zhì)量，一些工藝研究也提出了一些技術(shù)細節(jié)，例如在芯材上開孔以利于充模和樹脂的流動。經(jīng)過計算，經(jīng)過優(yōu)化的開孔布置方式可以有效地縮短充模時間，使樹脂流動均勻。增加開孔的密度，可以加快樹脂的流速，使上下面板的分布更一致[43]。對于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的成型工藝，也可以利用有限元仿真對成型過程進行模擬，對參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，從而提高制造的效率，壓低成本[45]。

4.2 界面增韌工藝研究

因為界面問題是復合材料夾芯結(jié)構(gòu)不可避免的結(jié)構(gòu)弱點，所以在生產(chǎn)工藝中考慮界面增韌是提高復合材料夾芯結(jié)構(gòu)承載能力和使用壽命的有效途徑，目前界面增韌的一種有效方法是在界面部分添加短切纖維材料[47–49]。添加方法為，在浸膠之前在纖維布和芯材之間鋪設(shè)一層預制好的短切纖維薄膜，然后在模具中整體浸膠，加熱固化。短切纖維在界面中的增韌機理是，界面內(nèi)的短切纖維具有良好的柔韌性，可以嵌入面板鋪層的纖維之間，也可以嵌入芯材粗糙表面的凹陷處，從而在面板和芯材之間形成微觀的橋連接結(jié)構(gòu)以提高斷裂韌性[50]。

5 復合材料夾芯結(jié)構(gòu)在船舶工程方面的應(yīng)用

目前，復合材料在船舶領(lǐng)域有很多方面的應(yīng)用，復合材料本身有比強度、比剛度高的優(yōu)點，相比使用鋼材作為結(jié)構(gòu)材料，可以大大減輕船舶自重，從而增加載重，加快航速，提高航運效率。此外，不同于金屬材料，樹脂基復合材料船對海水的適應(yīng)性較好，不會發(fā)生腐蝕反應(yīng)，電化學腐蝕反應(yīng)等，從而延長了船舶壽命，降低了維護保養(yǎng)成本。復合材料夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用在船舶領(lǐng)域，相對于普通的復合材料解決了其需要較大的厚度來增加自身剛度的問題，從而增大了復合材料可以使用的部件的尺度。在船舶中已經(jīng)研究和應(yīng)用的復合材料夾芯結(jié)構(gòu)構(gòu)件有桅桿[50]、艙室[51]和舵[22,52]。其中，桅桿和艙室主要利用了復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的力學性能。復合材料夾芯舵除了利用材料質(zhì)輕，強度高的特點，還利用了其可設(shè)計性強，且材料的固有頻率低于同形態(tài)的鋼制結(jié)構(gòu)[52]的特點。通過舵在流體壓力作用下的有限元仿真計算，對復合材料面板進行材料設(shè)計和鋪層設(shè)計，來提高舵的綜合性能，大大降低振動水平，從而提高效率[22]。

從20世紀90年代開始，歐美的船舶公司就開始使用夾芯復合材料結(jié)構(gòu)制造各種類型的船舶。1993年，Hexcel和Finnyards公司聯(lián)合研制成了一型復合材料夾芯結(jié)構(gòu)船殼的快速渡輪，其載重量比當時最大的的雙體船大5倍。3年后下水的另一型復合材料夾芯結(jié)構(gòu)制造的快速渡輪，其航速可達到普通渡輪航速的2倍，而且穩(wěn)定、舒適[8]。在民船領(lǐng)域，復合材料夾芯結(jié)構(gòu)船的應(yīng)用已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，但是在我國，大型整體復合材料夾芯結(jié)構(gòu)船尚未起步。除了在民船領(lǐng)域之外，復合材料夾芯結(jié)構(gòu)在海軍艦船上也起著越來越重要的作用。例如使用吸聲夾芯復合結(jié)構(gòu)的潛艇、聲吶外殼，還有使用夾芯復合板作為防彈材料的艦船裝甲[53]。

6 展 望

目前，對于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的研究主要集中在機理研究，隨著其在各行各業(yè)更加廣泛的應(yīng)用，研究的重點將會轉(zhuǎn)向針對具體性能需求的材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計研究。開發(fā)出特種化、功能化、標準化、系統(tǒng)化的復合材料夾芯結(jié)構(gòu)。針對船舶領(lǐng)域，復合材料夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將從局部應(yīng)用轉(zhuǎn)向整體應(yīng)用，適用的船舶尺寸也將從中小型向大型發(fā)展。此外由于復合材料夾芯結(jié)構(gòu)良好的可設(shè)計性，其具有的特種性能設(shè)計結(jié)構(gòu)將會更多的應(yīng)用于軍船領(lǐng)域。

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