V型折疊式夾層板改進設計及抗沖擊性能數值分析

王哲，趙辰水，劉昆

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

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V型折疊式夾層板改進設計及抗沖擊性能數值分析

王哲，趙辰水，劉昆

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

以金屬基折疊式夾層板為研究對象，對傳統夾層板結構進行改進，設計一種改進的V型夾層板結構。應用ABAQUS有限元軟件分析空爆載荷作用下改進的V型夾層結構的損傷變形機理和能量吸收機制，與傳統夾層板進行比較，結果表明，改進的V型夾層結構與傳統夾層板的變形量基本相等，但其吸能能力明顯高于傳統夾層板，表現出良好的抗沖擊性能。

V型夾層板；空爆載荷；能量吸收；抗沖擊性能

折疊式夾層板因重量輕、比強高、抗沖擊性能好等眾多優點[1-2]，使得其在艦船中的應用逐漸增多。對于船用夾層板的抗沖擊性能，國內外學者[3-6]開展了大量的研究工作。為充分發掘夾層板的優越性，國內學者在U型、V型和X型等夾層結構的基礎上，對其進行概念設計，提出了多種改進后的夾層結構設計方案，并開展了抗沖擊性能研究，得到了幾種抗沖擊性能較好的夾層板結構[7]；設計了一種復合Y型折疊式夾層板結構，船體舷側采取適當的Y型夾層結構形式，可有效降低爆炸沖擊波所造成的結構損傷和破壞，從而進一步提高艦船的生命力[8]。現有研究表明，在眾多基本的夾層結構中，U型和V型夾層板結構的強度較高，抗沖擊性能較好[9-10]。因此，考慮在性能較優的U型和V型夾層板的基礎上，設計一種新的夾芯結構，運用ABAQUS有限元軟件模擬空中爆炸載荷，分析對改進的夾層板的抗沖擊性能，探討空爆載荷作用下改進后的夾層板的能量吸收機制和損傷變形機理，與現有的夾層板進行對比，評估改進夾層板在空爆載荷作用下的防護性能。

1 夾層結構的初步設計

夾層板的夾芯是主要的吸能構件，夾芯的結構形式對夾層板的吸能能力有重要影響。對其結構形式、尺寸進行設計優化，可以有效提高結構的整體吸能特性。

選取U型和V型夾層板整體尺寸均為1 000 mm×1 000 mm×100 mm，上下面板和夾芯厚度均為3 mm，質量均約為100 kg。改進的夾層結構由2種結構組合而成，一部分為V形結構，另一部分為折線結構。對于V型部分的設計，綜合考慮現有的U型和V型夾層板結構形式，U型夾層板結構為離散型結構(圖1a))，V型夾層板結構為連續型結構(圖1b))。采用離散型結構是考慮到改進結構的質量相對于現有夾層板結構不能有大幅的增加；而設計成V型結構一是為了保證有較強的結構強度，二是為了與夾芯結構的折線部分結構相連接。對于折線形結構的設計，主要是為了增強夾層板的吸能能力，以提高其抗沖擊性能，V型結構和折線形結構共同組成完整的夾芯結構(圖1c))。為便于后續分析表述，將改進夾層板命名為V-I型夾層板，其層板的整體尺寸和板厚均與U型和V型夾層板一致，結構質量與U型和V型夾層板相近。3種夾層板結構的截面尺寸見圖1，每種夾層板由10個板格組成，每個板格寬度均為100 mm，圖中只給出2個板格寬度。

2 計算方案

利用有限元軟件ABAQUS模擬空爆載荷下夾層板結構的動態響應，其中，空氣流場模型采用中間為柱體兩端為半球體。為保證計算精度，流場半徑為結構半徑的6倍[11]，有限元模型見圖2(圖中給出的是1/2流場有限元模型)。

圖1 V-I型夾層板截面尺寸示意

圖2 結構-流場有限元模型

采用聲固耦合算法，流場單元選用4節點線性聲學四面體單元(AC3D4)，流場的特性由空氣的密度和體積模量表述，空氣密度為1.29 kg/m3，體積模量為1.42×105Pa。夾層板有限元結構見圖3，選用殼單元模擬，單元類型為4節點縮減積分四邊形單元(S4R)[12]。迎爆面板四周和夾芯邊界處約束平行于面板的平動自由度，背爆面板四周全約束。

采用64 kg的TNT球型炸藥，爆點位于迎爆面中心點正上方2 m處。夾層板材料采用船用低碳鋼，密度ρ=7 850 kg/m，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，屈服應力為235 MPa，材料最大塑性應變取0.3，采用Cowper-Symonds本構模型考慮材料的應變率敏感性，其中參數D取40.4，P取5[13]。

圖3 結構有限元模型

3 計算結果及分析

能量吸收情況見圖4。

圖4 能量吸收曲線

由圖4可見，無論是整體塑性能還是芯材塑性能，與U型夾層板和V型夾層板相比，V-I型夾層板的吸能量更多，吸能能力更強。對于整體塑性能，在沖擊的初始階段V型夾層板的塑性能略高于V-I型和U夾層板，但隨著沖擊時間的增加，V-I型夾層板的塑性能超越V型和U型夾層板，最終達到最大值。V-I型夾層板比U型夾層板的整體吸能能力提高近1倍，比V型夾層板的整體吸能能力提高約1/3。對于夾芯塑性能，V-I型夾層板夾芯的塑性能從一開始就明顯高于U型和V型夾層板，比U型夾層板夾芯的吸能能力提高近1.5倍，比V型夾層板夾芯的吸能能力提高近1倍。通過吸能曲線可以看出，改進后的V-I型夾層板的吸能能力比U型和V型夾層板的吸能能力有顯著提高。

3.2 背爆面中心點位移時程曲線

由于夾層板背爆面與艦船內部的人員和設備直接接觸，背爆面的動態響應直接影響到艦船內部的人員和設備的安全，因此本文重點考察夾層板背爆面的變形量。而背爆面中心點作為一個典型測點，其位移量可以代表整個夾層板背爆面的最大變形量。因此選取背爆面中心點為考察點。通過背爆面中心點位移時程曲線(圖5)可以看出，3種夾層板中心點處的位移曲線先是迅速上升，上升趨勢較為接近，經過振蕩波動之后穩定在某一值附近。V-I型夾層板的中心位移和V型夾層板的中心位移基本相同，略高于U型夾層板，3種夾層板的中心位移總體來說較為接近。證明V-I型夾層板在吸能能力顯著提高的同時結構強度并沒有明顯減弱。

圖5 中心點位移

3.3 S型夾層板吸能模式分析

改進的V-I型夾層板吸能能力得到顯著提高，主要原因在于改進后的夾芯中增加了折線結構，因此僅對折線形結構的吸能機理進行分析。分析V-I型夾層板的損傷變形(圖6)可以看出，在爆炸沖擊的初始階段，背爆面板和夾芯中的倒V型結構幾乎沒有變化，夾芯中的折線結構首先發生變形。在沖擊波作用下，折線結構折疊壓縮產生塑性變形，這一過程可以吸收大量的沖擊波能量，減小沖擊波對整個結構的沖擊。從夾芯塑性能曲線圖(圖4b)也可以看出，在這一過程中V-I型夾層板的吸能曲線迅速上升，其數值明顯高于其他兩條吸能曲線。同時，夾心中的倒V型結構可以保證夾層板結構的橫向強度，防止夾層板產生大的變形，而且壓縮后的折線形結構也具備一定的抗彎能力，這兩者共同作用使得夾層板在吸能顯著增加的同時整體結構強度并沒有減弱。這種組合式的夾芯結構設計，兼顧能量吸收和結構強度，與未改進的夾層板相比具有獨特的優越性。

圖6 S型夾層板損傷變形圖(局部)

計算結果見表1。

表1 數值仿真分析結果匯總

注： “比吸能”是指結構單位質量吸收的能量。

由表1可知，對于整體塑性能，改進的V-I型夾層板比U型夾層板的整體吸能提高87.6%，比V型夾層板的整體吸能提高31.7%。對于夾芯塑性能，V-I型夾層板比U型夾層板夾芯的吸能提高148.3%，比V型夾層板夾芯的吸能提高84.0%。比吸能是指結構單位質量所吸收的能量，由于把結構質量考慮在內，因此比吸能可以更加全面的反映整個結構的吸能特性。V-I型夾層板的比吸能比U型夾層板高77.6%，比V型夾層板高29.8%。由此可以看出，改進后的V-I型夾層板的吸能能力得到顯著提高。改進后的V-I型夾層板夾芯的吸能占總吸能的比例(為46.8%)明顯高于U型和V型夾層板夾芯吸能占總吸能的比例(分別為35.4%、33.5%)，說明改進的V-I型夾層板的夾芯結構具備更好的吸能能力。在吸能顯著提高的同時，3種夾層板的中心位移相差不大，說明改進的V-I型夾層板仍然具有較好的結構強度。

4 結論

改進的V-I型夾層板突破了常規夾層板單一的夾芯結構形式，在不增加結構損傷變形的情況下V-I型夾層板的抗沖擊能力得到顯著提高。若應用于艦船結構，V-I型夾層板可以通過增加自身吸能來緩沖爆炸沖擊波對整個艦船的作用力，減少沖擊波對艦船內部結構的沖擊，在不增加艦船損傷變形的前提下改善沖擊環境，提高艦船對內部人員和設備的防護能力。因此，改進的V-I型夾層板可為新式艦船結構設計提供參考。

后續研究應考慮對其開展極限強度等靜力分析以及碰撞、侵徹等其他形式的動力分析，全面研究其力學性能。同時，還應對V-I型夾層板的結構形式和幾何尺寸進行改進和優化，分析各幾何參數對其抗沖擊性能的影響。

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Numerical Analysis on Shock Resistance Performance and Improved Design of V-type Corrugated Core Sandwich Panel

WANG Zhe, ZHAO Chen-shui, LIU Kun

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

An improved V-type sandwich structure was proposed based on the traditional metallic corrugated core sandwich panel. Focus on the improved V-type sandwich structure under air non-contact explosions, the damage deformation and energy absorbing mechanism was analyzed in ABAQUS. The shock resistance performance was compared with the traditional sandwich panels. The results showed that the displacement of the improved V-type sandwich panel is almost equal to the traditional sandwich panel while the energy absorption is higher remarkably. The shock resistance performance of the improved V-type sandwich panel is enhanced significantly.

V-type sandwich panel; air blast load; energy absorption; shock resistance performance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.022

2016-12-12

王哲(1992—),男,碩士生

研究方向：船舶與海洋結構物結構性能

U661.43

A

1671-7953(2017)04-0098-04

修回日期：2016-12-25