鋼－聚氨酯夾層結構芯層參數的變化對碰撞性能的影響

伏耀華

(上海船舶運輸科學研究所，上海 200135)

0 引言

夾層結構通常由2塊高強度面板和低密度材料的芯層膠接而成，如蜂窩夾層結構、泡沫夾層結構等。通過夾芯的作用，保證2層面板之間協調地工作。一般面板采用強度和剛度比較高的材料如鋁合金及合金鋼等，芯子支撐其間，使面板在承受應力時能較好地保持彈性及穩定性。

根據夾芯剛度強弱，夾層結構可分為軟夾芯和硬夾芯兩類［1］。軟夾芯的剛度較小，尤其在平行面板平面內剛性甚微，因而可以認為夾芯只承受橫向剪切內力，而平行面板的內力與內力矩由面板承受。本文所研究的夾層結構為軟夾芯 (聚氨酯)夾層結構。

本文研究鋼－聚氨酯夾層結構自身結構參數對其性能的影響，通過對變化夾層結構夾芯層厚度的系列試件進行數值仿真計算分析，研究結構碰撞力、能量吸收與比能等耐撞性參數與夾層結構芯層尺寸參數之間的關系。

1 有限元模型

本文分析使用大型有限元軟件ANSYS/LSDYNA，基于經典層和理論的建模法以二維殼單元(模型C)來仿真夾層結構。

夾層結構3種模型尺寸相同，長L和寬W均為3 m，厚度T為0.018 m，上下面板厚度tG為0.003 m。夾層結構四邊固支，夾層結構受到一撞擊體的正面垂直撞擊，將撞擊體設為剛體，剛性撞擊體的有限元模型幾何尺寸為一半圓球殼，球半徑R為0.15 m，距夾層結構上面板表面中心0.02 m處以5 m/s初始速度沖擊夾層結構。撞擊體和夾層結構有限元模型如圖1所示。

面板為船用低碳鋼，密度ρG=7850 kg/m3，彈性模量EG為206 GPa，泊松比νG為0.3。為了更真實地反映面板特性，本文將采用2種不同的材料模型:對于發生塑性變形的結構單元采用各向同性和隨動硬化的塑性隨動模型。應變率用Cowper-Symonds模型來考慮，屈服應力由下式給出［2－3］:

圖1 撞擊體和夾層結構有限元模型Fig.1 The finite element model of impactor and the sandwich structure

式中:σ0為初始屈服應力，取2.35×108 N/m2;E為彈性模量，取2.06×1011 N/m2;EP為塑性硬化模量，取1.18×109 N/m2;為應變率;C和P為Cowper-Symonds應變率參數，取C=40.4，P=5。

通過變化夾芯層厚度tX得到不同密度的夾層結構，研究夾芯層密度對沖擊性能的影響。取夾芯層厚度tX為3 mm，6 mm，9 mm，12 mm，15 mm等5組試件，芯材為聚氨酯，密度ρX=1200 kg/m3，彈性模量EX=1419 MPa，泊松比νX=0.476。

2 數值仿真結果及比較分析

利用動態非線性有限元分析軟件ANSYS/LSDYNA對5個模型進行計算。表1為不同夾芯層厚度的夾層結構試件吸能情況的匯總。圖2為5組夾層結構各部分能量吸收隨夾芯層厚度變化關系曲線。由表1和圖2中數值可知:

1)夾芯層厚度對夾層結構各部分的吸能都有一定的影響，隨著夾芯層厚度的增加，夾層結構總吸能、夾層結構面板、夾芯層吸能都呈上升趨勢，能量變化曲線隨著夾層結構芯層厚度增加上升斜率逐漸變小。

2)夾芯層吸能均小于面板的吸能，結構主要靠面板吸收能量。

3)夾芯層吸能占總吸能比例在其厚度為9 mm時最大，即夾芯層吸能在夾層結構面板尺寸參數給定時，存在較優的夾芯層尺寸參數使夾芯層結構的吸能占總吸能比例達到最大值。

表1 不同芯層夾層結構試件吸能計算結果Tab.1 The results of different core sandwich structure specimen absorption

圖2 能量吸收－夾芯層厚度關系曲線Fig.2 The curve of energy absorption and clip core thickness

圖3 比能－夾芯層厚度關系曲線Fig.3 The curve of specific energy－clip core thickness

圖3為夾層結構及各層結構比能隨夾芯層厚度變化曲線。從曲線可得:

1)夾芯層厚度的變化對夾層結構比能和面板的比能影響較小，對夾芯層結構比能影響較大。隨著夾芯層厚度的增加，夾層結構夾芯層比能［4］呈下降趨勢。

2)夾層結構總比能在夾芯層厚度為9 mm取得最大值，即夾層結構總比能在夾層結構面板尺寸參數給定時，存在較優的夾芯層尺寸參數使夾芯層結構的總比能達到最大值。

3)在夾芯層厚度小于9 mm時，夾芯層結構比能大于夾層結構面板的比能，因此合理布置夾芯層結構重量在夾層結構總重量中的比重有利于結構吸能的提高，從經濟角度考慮又有利于降低用鋼量節約成本。

表2列出了夾層結構各層被撞擊體擊穿時刻和對應碰撞力的數據。圖4反映了不同夾芯層厚度的夾層結構試件所受碰撞力－時間歷程曲線。圖5為5組試件最大碰撞力、各層板破裂時刻夾層結構所受碰撞力的對比曲線。

圖4 不同夾層結構試件碰撞力－時間曲線Fig.4 The curve of different core sandwich structure specimen collision force-time

圖5 碰撞力－夾芯層厚度關系曲線Fig.5 The curve of collision force-clip core thickness

1)各夾層結構碰撞力－時間歷程曲線的形狀相似，5條曲線在0.044 s前基本重合。每根曲線都存在明顯的非線性現象，結構出現多次卸載現象。

2)隨著夾芯層厚度增加，碰撞力峰值、各層板破裂時刻碰撞力都呈上升趨勢。夾芯層厚度的變化對上面板和夾芯層破裂時刻的碰撞力值影響較大。

3)5個試件下面板幾乎都在0.044 s時發生破裂，上面板和夾芯層破裂時刻隨著夾芯層厚度增加而推遲。

表2 不同芯層夾層結構試件碰撞力計算結果匯總Tab.2 The results of different core sandwich structure specimen collision force calculation

3 結語

本文通過對變化夾層結構夾芯層厚度進行數值仿真計算分析，探討結構碰撞力、能量吸收與比能等耐撞性參數與夾層結構芯層尺寸參數之間的關系。夾層結構的夾芯層厚度對結構的耐撞性能有不同程度的影響，夾層結構尺寸參數的優化研究可以提高其耐撞性能。

1)增大夾芯層厚度能提高夾層結構的吸能和比能，改善面板的吸能性，隨著其厚度的增加碰撞力增加幅度不大。

2)綜合考慮結構吸能、重量和經濟的因素，優化夾層結構聚氨酯芯層的尺寸參數是一種必要合理的措施，在本節撞擊條件下，可選取聚氨酯芯材9～12 mm。本文使用高密度的聚氨酯材料，其芯材密度、面板和芯層尺寸比例關系等結構尺寸參數對夾層結構耐撞性能的影響有待進一步研究。

［1］王自力，張延昌.基于夾層板的單殼船體結構耐撞性設計［J］.中國造船，2008(1):61－65.

［2］ZHANG Sheng-ming.The mechanics of ship colisions，［Dissertation］，Denmark，Technical University of Denmark，1999.

［3］劉建成，顧永寧.船橋碰撞力學問題研究現狀及有限元仿真計算［C］.MSC.Software中國用戶論文集［A］，2001.

［4］CONSOLAZIO G R，COWNA D R.Nonlinear analysis of barge crush behavior and its relationship to impact resistant bridge design［J］.Computers and Structures，2003，81:547－557.