水动力冲击（砰击）载荷作用下复合材料夹芯板的动力响应试验与数值研究外文翻译资料

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水动力冲击（砰击）载荷作用下复合材料夹芯板的动力响应试验与数值研究

摘要：由于夹芯结构有诸如高强度/重量比等的特点，其在海洋工程中得到了广泛的应用。但是反过来说，夹芯结构的破坏机制对局部和全局动力响应也有显著的影响。在当前的研究中，本文采用实验方法和数值方法，研究了具有高分子表面和聚氯乙烯泡沫芯的夹芯板在冲击作用下的力学性能。在冲击试验中，利用高速冲击机近似恒定的冲击速度。本文从水动力载荷、动变形和破坏机理等方面对不同冲击速度下的动阻力进行了分析。另一方面，本文在Abaqus/Explicit（基于耦合欧拉-拉格朗日模型方法的显式软件）中建立了砰击模型。另外，该数值模型中加入了不同的损伤模式，包括板内损伤、表皮/夹芯界面脱粘和夹芯剪切，以覆盖整个结构的所有可能的损伤模式。两个失败的标准（层合材料的哈辛准则和夹层结构中芯材的克里斯坦森准则）被定义并集成到VUMAT子例程中。另外，粘粘区模型被用来确定板和夹芯以及核心的脱离状况。数值结果与试验结果在水动力载荷和损伤预测方面有较好的一致性。

1. 前言

在过去的十年里，由于复合材料的重量轻、强度高、刚度与密度比高，其快速发展鼓励了人们在海军舰船结构中的应用。许多研究人员研究了它们的性质，以确定其在整个生命周期的性能和可靠性，这有助于船舶设计人员在提出最终设计载荷之前估计和指定水弹性效应和损伤机理。了解复合材料在撞击作用下的损伤机理，对于控制复合材料在舰船上的应用和预测结构中关键部位具有重要意义^[1]。在设计和使用中都需要特别注意复合材料的损伤，在设计载荷时要将损伤允许的极限作为安全系数^[2，3]。

在流体结构相互作用中，刚体与可变形结构的主要区别是沿流体-结构界面存在水弹性影响。这就解释了为什么船体的柔韧性对这些结构的设计有着重要的影响，可以改变流体-结构相互作用的行为^[4，5]。Charca和Shafiq^[6，7]通过单次和多次撞击实验研究夹层结构中的撞击问题，对夹层结构的损伤进行了评估。他们观察到，当砰击信号超过及限制的0.35%后会发生突变破坏，并且夹层结构的弯曲能力会下降。在实验中，周期性的重复撞击会导致夹芯结构损伤的进一步扩大，特别是在面心脱粘和局部屈曲面，我们认为这是主要影响夹芯结构动力响应的因素。Kaushik和Batra^[8]使用LS-DYNA中建立的多材料欧拉拉格朗日模型研究了船体结构中刚性结构和变形结构的撞击。他们考虑了流体和固体中的惯性效应，假设流体是可压缩的。在研究板的变形时，考虑了所有的几何非线性。研究结果表明，可变形板的压力不同于板理论和瓦格纳理论，由于水弹性的影响，在板边缘附近产生了较大的压力，在夹层结构的表皮/芯部界面之间产生了较大的剪应力，湿板表面的压力分布是振荡的。Allen和Battley^[9，5]实验研究了高速船舶复合材料板在流固耦合作用下的水弹性效应。面板柔度对总力有影响，刚度较低的面板峰值力较大，这与水弹性效应有关。Xiao和Batra^[10]基于边界元法和有限元法研究了可弯曲板和可弯曲板的复合夹层结构的入水问题，利用三阶剪切和正态可变形板壳理论(TSNDT)实现了两种模型之间的耦合，采用粘聚区模型实现了层间损伤(分层)的萌生和扩展。Erchiqui等^[11]人利用流体结构相互作用对聚合物膜进行了表征，数值计算结果与试验数据进行了比较，在相关性方面取得了满意的结果。计算结果还表明，ALE理论对流体结构相互作用的计算精度最高。

本文对夹芯板(聚合物外壳/PVC泡沫塑料)在水撞击作用下的动态响应进行了实验和数值研究，分析了大范围恒速作用下的水动力、板的变形和损伤评估。这有助于结构设计者估计这些类型结构的动态响应和破坏机制。

1. 材料和实验设置配置

利用高速冲击机(Servo-test机)与速度控制系统来校准和维护整个水速度约常数的影响。图1的机器性能规格不同于其他传统的机器，其压载可超过100kN(200kN)，速度可达到20米/秒(10m/s)。夹具系统采用钢355S，重量58.5kg，安装在液压活塞上，夹芯板总重量6.8kg。本机设有水箱，水箱设计尺寸(长3米，宽2米，深2米)，避免反射波形成外水箱边界。注意，进行实验时水箱的有效水深为1.1m。

图1 机器和系统夹具设置

如图2a所示，安装在机器活塞上的力传感器用来测量冲击力。如图2b所示，利用高速光学快速摄像机(SA-X2)拍摄了撞击过程中水流的图像，并阐明了流体-结构相互作用的现象。在我们之前的工作中发现了更多实验仪器的细节^[12，13]。楔体由两个尺寸为500*250*27 mm的夹心板组成，选取完全夹紧边界条件，该条件通常适用于复合材料船体^[14]。静升角为5 °~ 20°的冲击楔体的水弹性效应最大，而30°角的水弹性效应表现为刚性^[15]。因此，在本研究中，所有被测板的死升角均为10°。应该指出的是，选择10°取决于机器和设备的能力。如图3所示，面板沿面板跨五个不同位置安装应变计(SG)，可直接测量结构响应和固有频率的覆盖模态形状。夹层结构由聚合物外壳和聚氯乙烯泡沫塑料芯组成，这些材料的静态特性已经在以前的工作中提出^[16，17]，面板机械性能的详细情况如表1所示。

图2 仪器(a)加速度计和(b)快速摄像机

图3 面板的示意图和面板顶部表面的应变计的安装，尺寸(毫米)

表1 夹芯板力学性能^[16，28]

【注：t极限拉伸强度；c极限压缩强度；S极限剪切强度（MPa）】

1. 实验结果

3.1动态响应

如图2所示，采用安装在机床活塞上的力传感器测量冲击力，由于传感器的位置，力并不代表受冲击板的真实水动力，夹具系统和面板的一些惯性力导致了总水动力的一些变化。为此，用加速度计(EGAS-FS-250/V12/L8M/X型)测量速度加速度。因此，水动力是由冲击力减去惯性载荷效应(夹具系统和复合板)来确定的。如图4所示，为了保证测试结果的可重复性，我们进行了不止一次测试，对于所有的测试来说似乎都有一个很好的可重复性。对于每个面板，都会进行4m/s~10m/s范围速度的测试，以考虑不同速度对其的影响。从图中可以看出，所有不同速度的曲线都表现出近似相同的曲线趋势。可以看出，结构的柔度对动态噪声的影响是显著的，这可以归结为局部死升角的变化和板沿流体结构界面的挠度等运动水弹性效应。此外，在速度范围(4-8 m/s)内，这些面板表现出与刚体相似的较低的水弹性效应。

图4 PVC夹芯板的重复实验

如图5所示，实验结果表明，夹芯板的变形值对结构荷载敏感。需要指出的是，夹芯板在冲击速度小于10 m/s时表现出相似的变形剖面响应，表现出弹性变形，而应变片(GE)在V = 10 m/s时的变形响应是发散的，并迅速增加。这说明面板的弹性变形超过了极限，受到损伤。事实上，它也可以注意到，B，D和C的测量仪给出了几乎相同的变形率。这说明我们没有三维变形的现象;面板宽度上的所有点都有相同的变形，变形后应变相同。

图5 应变片变形

3.2损坏状况

夹层板损伤模式的识别对舰船结构设计具有重要意义，特别是对预测结构在撞击作用下的性能具有重要意义。夹层结构的主要破坏模式一般包括表皮破坏、表皮/夹芯界面脱粘和剪切夹芯破坏。夹芯剪切和脱粘界面是夹层结构在动荷载作用下常见的破坏模式。

视频1

试验结果表明，在冲击速度为10 m/s时开始发生损伤。图6为以10m /s速度撞击时的快照(从初始接触t = 0开始)，可以观察夹芯板的损伤发展历程和射流高度。损伤首先出现在夹紧区板端部，然后向芯部发展。夹芯剪切破坏导致弯曲强度降低，沿界面(表面/夹芯)方向的法向应力和剪应力增加，界面的渐进分离本质上是岩心断裂的结果，如之前在其他工作^[18]中所述。有关撞击试验和损伤演化的更多说明，请参见视频1。

图6 夹芯板损坏历程，V = 10 m/s

图7为受损夹芯板撞击后的宏观照片。给出了不同结构下的失效模式，包括夹芯与表皮界面的分离、微裂纹和夹芯受剪切力作用而产生的裂纹扩展。破坏总是发生在最薄弱的区域，因此结构的大变形表现为中性点平面上下的高弯拉剪应力和高压剪应力的核心。因此，裂纹不容易沿厚度垂直传播。因此，由于表面剪应力和夹芯剪应力相差较大，裂缝以斜向角扩展。另一方面，夹芯的剪应力比正应力高，剪切用力导致夹芯发生破坏。

图7 楔形夹层板的破坏模式

1. 本构模型与有限元分析

本文采用基于集中质量矩阵的中心差分法，借助Abaqus中的显式有限元格式，对任意时刻的撞击问题进行了数值模拟，该方法易于确定加速度。这种方法对于解决极端不连续的短期事件和涉及到高应力波传播的问题，如跌落试验和撞击问题，更为有效。假定流体是不可压缩的，自由表面最初是静止的，本文采用了欧拉-拉格朗日耦合模型(CEL)，因为它可以在一次计算中同时处理结构和流体，用它来表示水域，具有更大的建模

资料编号：[3501]

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