王 哲，費(fèi)寶祥，趙辰水，劉 昆

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

艦船在海上航行和作戰(zhàn)時(shí)會(huì)受到爆炸沖擊載荷的威脅，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高艦船的抗沖擊性能，而評(píng)估沖擊損傷后艦船的剩余強(qiáng)度對(duì)保障艦船生命力也至關(guān)重要。夾層板作為一種新式結(jié)構(gòu)，具有重量輕、比強(qiáng)度高、隔音降噪效果好、抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，又因其能夠有效減輕船舶重量、降低重心高度、提高艦船抗沖擊性能，因此夾層板在艦船中的應(yīng)用逐漸增多[1 – 3]。為了充分研究夾層板的力學(xué)性能，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。張延昌[4 – 5]利用數(shù)值仿真和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究了夾層板的橫向壓皺強(qiáng)度，分析了壓皺載荷下的變形模式和吸能機(jī)制，同時(shí)基于遺傳算法提出了一種夾層板防護(hù)性能優(yōu)化方法。胡杰[6]對(duì)激光焊接夾層板的極限強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究表明夾層板縱向承載能力優(yōu)于橫向承載能力。譚年富[7]對(duì)泡沫夾層復(fù)合材料的低速?zèng)_擊以及沖擊損傷后材料的剩余強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，所得結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好。佟安時(shí)[8]對(duì)含孔型缺口的纖維金屬夾層板剩余強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究表明單軸拉伸載荷下中心孔的存在會(huì)使得結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度大幅降低。王自力等[9 – 13]對(duì)夾層板結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究，表明其具有較好的緩沖、吸能特性，可以顯著提高艦船結(jié)構(gòu)抗沖擊性能。然而，對(duì)于爆炸載荷作用后夾層板的極限強(qiáng)度問(wèn)題，目前的研究還相對(duì)較少，因此有必要開(kāi)展相關(guān)研究以豐富和完善對(duì)夾層板力學(xué)性能的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)夾層板在艦船中的應(yīng)用。

本文以U型折疊式夾層板為研究對(duì)象，對(duì)爆炸載荷作用后U型夾層板的剩余極限強(qiáng)度開(kāi)展試驗(yàn)研究，研究爆炸損傷后夾層板的力學(xué)性能，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展剩余強(qiáng)度數(shù)值仿真分析，以驗(yàn)證有限元分析技術(shù)的可靠性，為分析基于夾層板的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供技術(shù)支撐。

1 U 型夾層板剩余強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝置及試件

試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最真實(shí)有效的方法，通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)U型夾層板開(kāi)展研究，分析爆炸損傷后U型夾層板結(jié)構(gòu)的極限承載力。本試驗(yàn)主要設(shè)備為YNS1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以及配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。

如圖2所示，試件選自水下爆炸載荷沖擊后的U型夾層板，爆炸沖擊導(dǎo)致夾層板產(chǎn)生初始變形，但整個(gè)夾層板結(jié)構(gòu)并未完全失穩(wěn)，仍然具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。試件1、試件2用來(lái)研究夾層板的縱向極限承載力，載荷施加結(jié)構(gòu)及下部支撐結(jié)構(gòu)的布置方向均垂直于夾芯方向；試件3、試件4用來(lái)研究研究夾層板的橫向極限承載力，載荷施加結(jié)構(gòu)及下部支撐結(jié)構(gòu)的布置方向均平行于夾芯方向。

1.2 試驗(yàn)步驟

如圖3所示，試驗(yàn)共進(jìn)行4組，下部由2個(gè)直徑40 mm圓輥支撐，上部由一個(gè)直徑40 mm圓輥通過(guò)設(shè)備進(jìn)行加載。采用準(zhǔn)靜態(tài)位移加載方式，加載速度為4 mm/min；每次試驗(yàn)開(kāi)始前，預(yù)壓1 kN載荷后卸載；試驗(yàn)過(guò)程中的載荷-位移曲線由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集。在試件上下表面按要求畫(huà)好邊界位置以及載荷施加點(diǎn)的位置。在確認(rèn)測(cè)試系統(tǒng)正常的基礎(chǔ)上進(jìn)行加載，按預(yù)先規(guī)定的預(yù)載力和速度加載，記錄構(gòu)件位移和載荷大小，直至結(jié)構(gòu)完全失穩(wěn)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4為4組試驗(yàn)所得載荷-位移曲線，通過(guò)曲線可知極限載荷的大?。涸嚰?、試件2的縱向極限承載力分別為294.1 kN，300.9 kN；試件3、試件4的橫向極限承載力分別為 48.3 kN，46.1 kN。4 種載荷-位移曲線的整體趨勢(shì)基本一致，在初始階段載荷均隨著位移的增加迅速上升，在到達(dá)峰值后逐漸下降。前2種試件的極限承載力明顯大于后2種試件，到達(dá)極限載荷時(shí)的位移小于后2種試件，且前2種試件的載荷下降幅度也明顯較快。后2種試件的峰值部分比較平緩，下降幅度也相對(duì)較慢，說(shuō)明夾層板橫向結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)過(guò)程中沒(méi)有明顯的突變產(chǎn)生，橫向柔度高于縱向柔度。前2種試件的極限載荷較大主要是由于夾層板夾芯垂直于載荷施加方向，夾芯和上下面板同時(shí)承受載荷，其抗彎強(qiáng)度較大；而后2種試件夾芯平行于載荷施加方向，在夾層板彎曲時(shí)主要是上下面板承受載荷，所以抗彎強(qiáng)度明顯降低，后2種試件的極限強(qiáng)度約為前2種試件的1/6左右。

2 有限元數(shù)值仿真分析及對(duì)比

2.1 夾層板有限元模型

圖5為4種試件的截面尺寸，其中損傷變形面的尺寸通過(guò)測(cè)距儀進(jìn)行精確測(cè)量，以確保有限元模型能夠與實(shí)際夾層板結(jié)構(gòu)的尺寸相等。本文數(shù)值仿真僅選取2個(gè)支撐圓輥之間的試驗(yàn)段作為研究對(duì)象，忽略其余部分的影響。4種試件的橫向?qū)挾热鐖D5所示，試件1、試件2的縱向長(zhǎng)度為0.46 m，試件3、試件4的縱向長(zhǎng)度為 0.23 m，板厚均為 3.7 mm。材料密度7 850 kg/m3，屈服應(yīng)力為MPa，彈性模量為GPa，泊松比為，等效塑性應(yīng)變?nèi)?.3。

利用有限元軟件Abaqus進(jìn)行數(shù)值仿真分析，根據(jù)測(cè)量尺寸建立有限元模型，如圖6所示。夾層板采用殼單元（S4R）建模，網(wǎng)格尺寸為1 cm，試件1、試件2右端面約束位移U1=U2=U3=0，左端面約束位移U1=U2=0；試件3、試件4左端約束位移U1=U2=U3=0，右端面約束位移U2=U3=0。

4個(gè)試件載荷施加耦合點(diǎn)的設(shè)置如圖6所示，根據(jù)試驗(yàn)中圓輥與夾層板的接觸面積，在夾層板中間板格上選取10 mm的板條作為加載區(qū)域設(shè)置耦合點(diǎn)，加載速度與試驗(yàn)相同。

2.2 仿真結(jié)果對(duì)比分析

利用有限元軟件Abaqus計(jì)算得到如圖7所示的結(jié)構(gòu)損傷變形圖，從圖中可以看出，有限元所得變形模式與試驗(yàn)十分接近，本文數(shù)值仿真技術(shù)很好地模擬了在三點(diǎn)彎曲載荷作用下夾層板的損傷變形情況。

圖8為仿真和試驗(yàn)所得載荷-位移曲線的對(duì)比圖。由圖可知：4種工況的載荷-位移曲線趨勢(shì)基本一致，在初始階段載荷均隨著位移的增加迅速上升，在到達(dá)峰值后逐漸下降。對(duì)于前2種工況，在載荷施加的初始階段，仿真值高于試驗(yàn)值，但2條曲線的峰值基本一致。隨著位移的增大，試驗(yàn)值下降的趨勢(shì)比仿真值要快，后續(xù)仿真值始終高于試驗(yàn)值。工況1所得仿真值的極限承載力為284.2 kN，略低于試驗(yàn)值，兩者誤差為3.37%；兩者到達(dá)極限承載力的位移值吻合較好。工況2仿真值的極限承載力為314.1 kN，略高于試驗(yàn)值，誤差為4.39%；仿真值到達(dá)極限承載力的位移滯后于試驗(yàn)值，但相差不大。這2種工況產(chǎn)生誤差的主要原因是由于在爆炸載荷作用后，夾層板的夾芯產(chǎn)生了微小的橫向彎曲；而在有限元模擬中，假設(shè)夾芯沒(méi)有產(chǎn)生變形，導(dǎo)致有限元值略大于試驗(yàn)值。

對(duì)于工況3和工況4，試驗(yàn)值始終大于有限元值，與前2種工況相比誤差也明顯變大，工況3所得極限承載力為42.9 kN，與試驗(yàn)誤差為11.18%；工況4所得極限承載力為41.9 kN，與試驗(yàn)誤差為9.11%。誤差產(chǎn)生的原因，一方面是由于有限元模擬中只對(duì)重點(diǎn)考察的試驗(yàn)段進(jìn)行數(shù)值仿真，使得有限元邊界條件很難與試驗(yàn)條件完全相同。另一方面，在該種工況下，面板為主要的受力構(gòu)件，爆炸載荷使得面板存在殘余應(yīng)力，與有限元相比存在一定的強(qiáng)化作用，彈性變形減少，這在有限元模型中并未考慮，導(dǎo)致兩者誤差相對(duì)較大，這也從側(cè)面說(shuō)明了爆炸載荷下結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度影響較大。

通過(guò)對(duì)比分析，總體來(lái)說(shuō)有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了本文采用的有限元仿真分析技術(shù)合理、有效，能夠準(zhǔn)確計(jì)算夾層板的極限承載力。采用有限元數(shù)值仿真分析方法能直觀地反映夾層板力學(xué)性能，省去試件加工、制造成本及實(shí)施試驗(yàn)等復(fù)雜過(guò)程，有效縮短研究周期，降低研究成本。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用試驗(yàn)研究了爆炸損傷后U型夾層板在彎曲載荷下的剩余強(qiáng)度，并利用有限元軟件Abaqus進(jìn)行數(shù)值模擬。主要結(jié)論如下：

1）極限強(qiáng)度試驗(yàn)研究表明爆炸損傷夾層板縱向極限承載力明顯高于橫向極限承載力；夾層板橫向承載力的載荷-位移曲線在峰值處較為平坦，相比之下縱向極限承載力載荷-位移曲線存在明顯的峰值，夾層板縱向強(qiáng)度在失穩(wěn)前后存在明顯的臨界點(diǎn)。

2）除上面板的損傷變形外，爆炸沖擊后夾芯結(jié)構(gòu)的微小變形和上下面板的殘余應(yīng)力也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的極限承載力產(chǎn)生一定的影響。

3）采用合理的數(shù)值仿真分析技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確的評(píng)估夾層板的力學(xué)性能，有效降低研究周期和研究成本，為分析爆炸損傷后的艦船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供技術(shù)支撐。