復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及其在船舶工程的應(yīng)用

朱子旭，朱 錫，李永清，陳 悅

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北 武漢 430033)

0 引 言

復(fù)合材料，特別是纖維增強(qiáng)復(fù)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(jì)性，被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。以復(fù)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(qiáng)度、阻尼特性[1]，以及巨大的比剛度優(yōu)勢(shì)，被應(yīng)用于船舶、航空航天、道路橋梁等對(duì)材料要求很高的領(lǐng)域。對(duì)于固體材料，在引入復(fù)合材料夾心結(jié)構(gòu)后，為達(dá)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(shí)，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)除了擁有復(fù)合材料本身的優(yōu)良特性，還因?yàn)槠湫静牡亩鄻有院涂稍O(shè)計(jì)性，從而可以同時(shí)具備其他的特性，例如聲學(xué)特性、熱學(xué)特性等。其新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(duì)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，針對(duì)其特種性能、特種結(jié)構(gòu)、力學(xué)分析方法、制造工藝以及其在船舶工程方面的應(yīng)用幾個(gè)方面，對(duì)其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，從而提出復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)在未來可能的發(fā)展趨勢(shì)與研究方向。

1 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式研究

復(fù)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(fù)合材料板作為蒙皮的三明治結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料面板可選用樹脂基、陶瓷基、金屬基等纖維增強(qiáng)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)重量輕，強(qiáng)度高的特性，選用較輕質(zhì)的材料類型。復(fù)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(qiáng)樹脂基復(fù)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的芯材具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)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(jì)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的性能。通常增強(qiáng)形式有在芯材中加入增強(qiáng)構(gòu)件，例如短切纖維增韌泡沫芯材[4]、橫隔板增強(qiáng)型泡沫[5]、Z向增強(qiáng)型芯材[6]、X-cor夾層結(jié)構(gòu)[7]等；或者是對(duì)芯材結(jié)構(gòu)進(jìn)行特種設(shè)計(jì)，例如蜂窩夾芯板[8–10]、點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)[11]；或者對(duì)芯材連同表層進(jìn)行特種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如復(fù)合材料環(huán)形夾芯柱[12]、夾芯復(fù)合材料箱型導(dǎo)梁[13]。

1.1 增強(qiáng)構(gòu)件研究

在軟質(zhì)芯材中添加模量高的增強(qiáng)構(gòu)件，可以顯著增強(qiáng)夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(shí)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)易發(fā)生芯材剪切破壞，需要對(duì)泡沫芯材進(jìn)行增強(qiáng)[5]。橫隔板和Z向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以有效增加芯材的抗剪強(qiáng)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(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度，還能顯著增加結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)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(duì)于此類增加板構(gòu)件對(duì)芯材增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，其主要研究方向是對(duì)板構(gòu)件的布置和材料種類進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，布置方案包括增強(qiáng)構(gòu)件的間距、厚度和角度（X-pin）。例如，經(jīng)研究可知，當(dāng)Z-pin的體積分?jǐn)?shù)、模量和直徑增大時(shí)，X-core的剪切模量隨之增大，當(dāng)Z-pin的體積分?jǐn)?shù)固定，Z-pin的角度為45°時(shí)，結(jié)構(gòu)的剪切模量打到最大[7]。對(duì)于復(fù)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(duì)此，增強(qiáng)界面的增強(qiáng)構(gòu)件對(duì)增加結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)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(qiáng)結(jié)構(gòu)上，從而有效增加界面的抗剪強(qiáng)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(duì)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(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、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(guó)的B-58高速轟炸機(jī)的外形面積的85%以上使用了蜂窩夾芯材料，民用客機(jī)例如波音747客機(jī)上，同樣使用大量的蜂窩夾層材料，其壽命可達(dá)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(fù)合材料在各個(gè)工程領(lǐng)域中承擔(dān)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(xué)性能也是一個(gè)研究的要點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]中，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合材料蜂窩夾芯板在低速?zèng)_擊損傷后的壓縮能力變化。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，側(cè)向的低速?zèng)_擊損傷嚴(yán)重影響了復(fù)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(qiáng)度隨之減小；夾芯結(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(qiáng)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(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)。點(diǎn)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(fù)合材料纖維柱或纖維筒連接兩邊的面板，如圖2所示。點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)由于使用全復(fù)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)層合時(shí)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?yàn)楹穸鹊脑黾雍推胀ǖ膴A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(fù)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)更小，比強(qiáng)度、比剛度、緩沖吸能性能更好[11]。

1.3 特種復(fù)合材料夾芯工程構(gòu)件研究

此外，由于復(fù)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)特別設(shè)計(jì)出來，例如復(fù)合材料環(huán)形夾芯柱和夾芯復(fù)合材料箱形導(dǎo)梁。礦業(yè)護(hù)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(zhǎng)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(dá)到工程要求[12]。文獻(xiàn)[12]中介紹的大直徑木材夾芯環(huán)裝纖維復(fù)合材料支護(hù)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(dǎo)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(shí)結(jié)構(gòu)，在大跨度橋梁的建設(shè)中起到重要的作用。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)自重輕，力學(xué)性能好而且可設(shè)計(jì)能力好，故可以設(shè)計(jì)成箱形結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)梁。復(fù)合材料夾芯導(dǎo)梁可以使用蜂窩芯材進(jìn)一步減輕重量，而且可以通過仿真計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)度局部鋪層角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)從而控制結(jié)構(gòu)的撓度分布[13]。

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

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

2 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的非力學(xué)性能研究

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計(jì)，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(xué)性能、電學(xué)性能、聲學(xué)性能等。

2.1 熱學(xué)性能研究

在航空航天、核設(shè)施等工程領(lǐng)域中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要在高溫環(huán)境下工作，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析的同時(shí)必須考慮其熱學(xué)性能的影響，因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)和熱效應(yīng)研究也是復(fù)合材料領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)[15]。對(duì)于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，由于芯材的存在，其熱效應(yīng)溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)有別于普通的復(fù)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(duì)這個(gè)復(fù)雜問題，需要基于有限元模型來建立復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場(chǎng)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(chǎng)結(jié)果[16]。除了熱學(xué)性能，溫度本身還會(huì)影響復(fù)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(fù)合材料面板對(duì)PMI泡沫芯材可以起到保護(hù)作用，從而降低其吸濕率，進(jìn)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(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

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

2.2 聲學(xué)性能研究

由于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)面板和芯材的可設(shè)計(jì)性，可以設(shè)計(jì)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的芯材。此外，由于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)本身具有可設(shè)計(jì)的、較高的阻尼性能[20]，且力學(xué)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的聲隱身性能研究主要包括2個(gè)方面，材料研究和結(jié)構(gòu)研究。經(jīng)過計(jì)算分析，使用碳/玻璃纖維混雜成型的復(fù)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(dòng)水平[22]。利用數(shù)值計(jì)算和有限元仿真方法，可以對(duì)復(fù)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(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析方法研究

由于復(fù)合材料夾芯材料作為結(jié)構(gòu)材料在各個(gè)工程領(lǐng)域有大量的應(yīng)用，其力學(xué)性能分析研究擴(kuò)展到了很多方面，主要包括強(qiáng)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(qiáng)度分析研究

對(duì)于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，芯材和面板有不同的力學(xué)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算有別于普通的板殼梁的力學(xué)計(jì)算，有其獨(dú)特的復(fù)雜性。在以往的研究中已經(jīng)提出了一些計(jì)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(fù)合材料面板看做為薄膜，認(rèn)為其值承受平面力，不考慮板自身的抗彎剛度，對(duì)于芯材則認(rèn)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(rèn)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(gè)計(jì)算模型都認(rèn)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(dú)立變形的。雖然這些方法簡(jiǎn)化了復(fù)雜的模型，但是在很多實(shí)際工程中其計(jì)算結(jié)果出入較大。所以在實(shí)際工程分析中往往使用高階理論分析或者有限元法進(jìn)行計(jì)算[24–25]，有限元算法可以較好地模擬實(shí)際工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但是其計(jì)算過程復(fù)雜，無法得到直觀的解析公式，只能針對(duì)工程個(gè)案進(jìn)行分析，難以直接指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。也有文獻(xiàn)利用較復(fù)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(jìn)行計(jì)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(jìn)而求出撓度和面板的彎矩和剪力。使用這種復(fù)雜的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行計(jì)算其分析難度遠(yuǎn)大于前文所提到的3個(gè)簡(jiǎn)單模型，但是其計(jì)算精度大大提高[30]。通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的對(duì)比，這種復(fù)雜模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(jì)算分析復(fù)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(duì)于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，其芯材的彈性模量往往遠(yuǎn)小于復(fù)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(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)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(huì)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(huì)有局部的殘余變形[33]，所以對(duì)復(fù)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(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體承載能力有很大的影響。文獻(xiàn)[32]和文獻(xiàn)[34]中，通過對(duì)簡(jiǎn)化模型的理論推導(dǎo)，得到了2種可靠的復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)變形計(jì)算公式。其中文獻(xiàn)[32]中使用的無量綱基本方法和半解析分析方法相對(duì)簡(jiǎn)單，且計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(duì)撓度。對(duì)于反對(duì)稱角或者對(duì)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(shí)，所分析問題為局部的彎曲問題，當(dāng)橫向載荷q=0時(shí)對(duì)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(dǎo)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(fù)合材料層合板其自身穩(wěn)性較差，而且工程中使用的復(fù)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(xué)分析中的一個(gè)重點(diǎn)。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(dá)式以及在給定載荷條件下的外力勢(shì)能表達(dá)式，然后根據(jù)位移的邊界條件利用正交的三角級(jí)數(shù)構(gòu)造結(jié)構(gòu)的位移模態(tài)，最后根據(jù)最小勢(shì)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(shì)能原理和能量變分方法建立復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制方程[36]。文獻(xiàn)[37]使用一階殼變形理論和Rayleigh-Ritz理論來近似確定復(fù)合材料夾芯板的位移場(chǎng)，從而計(jì)算屈曲載荷。其計(jì)算結(jié)果良好地遵從了分層理論（layerwise theory），證明復(fù)合材料夾芯板的屈曲問題可以使用分層理論進(jìn)行分析[37]。除了理論數(shù)值計(jì)算，還可以通過有限元仿真計(jì)算的方法得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)和屈曲載荷，經(jīng)過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)照，有限元計(jì)算的結(jié)果比較精確[38]。通過計(jì)算，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)鋪層角，改變芯材來提高結(jié)構(gòu)的屈曲載荷，增強(qiáng)其承載能力。

3.4 損傷破壞分析研究

復(fù)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(kuò)展問題和損傷后剩余強(qiáng)度問題，研究的方法以試驗(yàn)研究和有限元仿真計(jì)算為主。文獻(xiàn)[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(duì)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(duì)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(duì)角線方向鼓起破壞[39]。界面問題具有復(fù)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(dāng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)承載時(shí)，裂紋容易在界面處產(chǎn)生，也容易沿著界面擴(kuò)展。研究裂紋擴(kuò)展問題的主要方法是針對(duì)雙懸臂梁試件（DCB）進(jìn)行兩側(cè)面板對(duì)拉的實(shí)驗(yàn)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(jìn)入芯材，之后在芯材中延平行于界面的方向擴(kuò)展[40]。由于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(xiàn)[41]研究了受到低速?zèng)_擊后的蜂窩夾芯板的力學(xué)性能問題，低速?zèng)_擊會(huì)使復(fù)合材料蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度大幅度降低，損傷后的夾芯板受到彎曲載荷時(shí)，其前面板發(fā)生界面分層擴(kuò)展，然后前面板分層出現(xiàn)的子層發(fā)生局部屈曲從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

4 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的制造工藝研究

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)通常使用 RTM[42–43]，VARTM[44]，VARI[45]工藝進(jìn)行制造生產(chǎn)。對(duì)于一些特種結(jié)構(gòu)或者特種需求也會(huì)更改工藝細(xì)節(jié)或者使用別的制造工藝，例如全部用復(fù)合材料備制的點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)可以使用預(yù)浸料鋪放工藝，通過熱壓技術(shù)一體化成型[14]。或者對(duì)泡沫夾芯管采用預(yù)制芯材然后使用復(fù)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(diǎn)，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(cè)模具內(nèi)部的狀況，有可能發(fā)生芯材變形造成報(bào)廢。所以推薦在使用密度較大的密實(shí)芯材時(shí)使用以上幾種工藝進(jìn)行制造生產(chǎn)[42]。在使用VARI工藝制造復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)時(shí)，可以在成型過程中監(jiān)測(cè)真空袋內(nèi)部的情況。但是需要對(duì)浸膠進(jìn)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(xì)節(jié)，例如在芯材上開孔以利于充模和樹脂的流動(dòng)。經(jīng)過計(jì)算，經(jīng)過優(yōu)化的開孔布置方式可以有效地縮短充模時(shí)間，使樹脂流動(dòng)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(duì)于復(fù)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(duì)成型過程進(jìn)行模擬，對(duì)參數(shù)進(jìn)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?yàn)榻缑鎲栴}是復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)不可避免的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，所以在生產(chǎn)工藝中考慮界面增韌是提高復(fù)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(yù)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(jī)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)在船舶工程方面的應(yīng)用

目前，復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域有很多方面的應(yīng)用，復(fù)合材料本身有比強(qiáng)度、比剛度高的優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)效率。此外，不同于金屬材料，樹脂基復(fù)合材料船對(duì)海水的適應(yīng)性較好，不會(huì)發(fā)生腐蝕反應(yīng)，電化學(xué)腐蝕反應(yīng)等，從而延長(zhǎng)了船舶壽命，降低了維護(hù)保養(yǎng)成本。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用在船舶領(lǐng)域，相對(duì)于普通的復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。復(fù)合材料夾芯舵除了利用材料質(zhì)輕，強(qiáng)度高的特點(diǎn)，還利用了其可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，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(diǎn)。通過舵在流體壓力作用下的有限元仿真計(jì)算，對(duì)復(fù)合材料面板進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)，來提高舵的綜合性能，大大降低振動(dòng)水平，從而提高效率[22]。

從20世紀(jì)90年代開始，歐美的船舶公司就開始使用夾芯復(fù)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)船殼的快速渡輪，其載重量比當(dāng)時(shí)最大的的雙體船大5倍。3年后下水的另一型復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)制造的快速渡輪，其航速可達(dá)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(fù)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(guó)，大型整體復(fù)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(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)的潛艇、聲吶外殼，還有使用夾芯復(fù)合板作為防彈材料的艦船裝甲[53]。

6 展 望

目前，對(duì)于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的研究主要集中在機(jī)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(diǎn)將會(huì)轉(zhuǎn)向針對(duì)具體性能需求的材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)研究。開發(fā)出特種化、功能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)。針對(duì)船舶領(lǐng)域，復(fù)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(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)良好的可設(shè)計(jì)性，其具有的特種性能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將會(huì)更多的應(yīng)用于軍船領(lǐng)域。

[ 1 ]羅忠，朱錫，梅志遠(yuǎn)，等. 夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼特性研究[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2008，27（11）：134-136，146，204.

[ 2 ]彭偉斌，朱森元，胡澤保，等.復(fù)合材料夾芯板的屈曲分析[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2001，22（4）：41-49.

[ 3 ]AIAA, Manuel stein Nonlinear theory for plates and shells including the effects of transvers shearing, [J]. 1986, 24 (9):1537-1544.

[ 4 ]王燦，陳浩然. 短切纖維增韌泡沫夾芯復(fù)合材料梁界面斷裂過程的物質(zhì)點(diǎn)方法模擬[J]. 工程力學(xué)，2012，29（1）：150-154.

[ 5 ]王慧，齊玉軍，劉偉慶. 橫隔板增強(qiáng)型泡沫夾芯復(fù)合材料梁抗剪性能試驗(yàn)研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2014(12)：91-96.

[ 6 ]李飄. Z向增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯板的力學(xué)與聲學(xué)特性研究[D].武漢：華中科技大學(xué), 2013, 1-102.

[ 7 ]杜龍. X-cor夾層復(fù)合材料力學(xué)性能研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué), 2007: 1-65.

[ 8 ]張廣平, 戴干策. 復(fù)合材料蜂窩夾芯板及其應(yīng)用[J]. 纖維復(fù)合材料, 2000, 2(25)：25-28.

[ 9 ]程小全, 寇長(zhǎng)河, 酈正能. 復(fù)合材料蜂窩夾芯板低俗沖擊后的壓縮[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 1998, 24(5)：551-554.

[10]邱志平, 林強(qiáng). 蜂窩夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)非線性傳熱分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2005, 22(5)：147-154.

[11]吳林志, 殷莎, 馬力. 復(fù)合材料點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的耦合換熱及熱應(yīng)力分析[J]. 功能材料, 2010, 6(41)：969-972.

[12]孫慧明, 方海, 祝露, 等. 復(fù)合材料環(huán)形夾芯柱的軸壓性能試驗(yàn)及理論研究[J]. 工業(yè)建筑, 2014, 44(2)：59-63.

[13]徐文明, 袁端才, 蔣志剛, 等. 夾芯復(fù)合材料箱型導(dǎo)梁的撓度分析[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2009, 30(8)：1061-1065.

[14]王兵. 纖維柱增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的制備工藝及力學(xué)性能研究[D]. 哈爾濱：復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所, 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009: 1-103.

[15]NOOR A K, BURTON W S. Computational models for hightemperature multilayered composite plates and shells. Appl.Mech. Rev., 1992,45(10): 419-446.

[16]林強(qiáng), 邱志平. 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)非線性熱傳導(dǎo)分析[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2007, 6(24)：147-152.

[17]董安琪, 短躍新, 肇研, 等. 濕熱環(huán)境對(duì)PMI泡沫夾芯復(fù)合材料性能的影響[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2012, 2(29)：46-52.

[18]朱錫, 石勇, 梅志遠(yuǎn). 夾芯復(fù)合材料在潛艇聲隱身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及其相關(guān)技術(shù)研究[J]. 中國(guó)艦船研究, 2007, 2(3)：34-39.

[19]李娟. 泡沫夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸波性能研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué), 2010, 54.

[20]羅忠, 朱錫, 梅志遠(yuǎn), 等. 夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼特性研究[J].振動(dòng)與沖擊, 2008, 27(11)：134-136.

[21]李華東. 功能梯度夾芯復(fù)合材料潛艇非耐壓殼的力學(xué)特性研究[D]. 武漢：海軍工程大學(xué), 2012, 1-126.

[22]朱錫, 黃若波, 石勇, 等. 安靜型夾芯復(fù)合材料舵設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能分析[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 19(4)：1-5.

[23]中科院力學(xué)研究所. 夾層板殼的彎曲、穩(wěn)定和振動(dòng)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 1977.

[24]SWANSON S R. An examination of a higher order theory for sandwich beams[J]. Composite Structures, 1999(44):169-177.

[25]SWANSON S R, KIM J. Comparison of a higher order theory for sandwich beams with finite element and elasticity analyses[J]. Journal of Sandwich Structure Material, 2000,2(1): 33-49.

[26]周祝林, 楊云娣．泡沫塑料夾層梁彎曲試驗(yàn)和理論分析[J]．纖維復(fù)合材料, 1991, 1(24)：24-34.

[27]CUNINGHAM P R, WHITE R G．A new measurement technique for the estimation of core shear strain in closed sandwich structures[J]．Composite Structures, 2001(51)：319-334．

[28]馬眷榮, 臧曙光, 丁麗梅．夾層玻璃力學(xué)模型的探討[J］．航空材料學(xué)報(bào), 1998, 18(3)：57-61．

[29]ALLISON I M．Laminated beams subjected to transverse Load[J]．Strain, 1998(8)：91-94．

[30]石勇. 夾層復(fù)合材料水下聲隱身舵的研究[D]. 武漢：海軍工程大學(xué), 2006,12.

[31]SOKOLINSKY V S, SHEN H, VAIKHANSKI L, et al.Experimental and analytical study of nonlinear bending response of sandwich beams[J]．Compos Struct, 2003,60(2)：219-229．

[32]楊杰, 沈惠申. 復(fù)合材料層合夾芯板局部變形行為研究[J].工程力學(xué), 2002, 19(1)：135-138.

[33]胡程鶴. 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯板的力學(xué)性能研究[J]. 新型建筑材料, 2015, 42(9)：64-66.HU Cheng-he. Mechanical properties of a fiber-reinforced polymer sandwich panel[J]. New Building Materials, 2015,42(9): 64-66.

[34]SAYYAD A S, GHUGAL Y M. A new shear and normal deformation theory for isotropic, transversely isotropic,laminated composite and sandwich plates[J]. Int J Mech Mater Des (2014)10: 247-267.

[35]楊東升, 胡偉平, 孟慶春. 大型復(fù)合材料夾芯筒屈曲分析中芯材剪切變形與殼體錐度的影響[J]. 工程力學(xué), 2012,29(4)：217-223.YANG Dong-sheng, HU Wei-ping, MENG Qing-chun. Effect of sandwich shear seformation and shell taper angle on elastic buckling of large-scale composite sandwich tube[J].Engineering Mechanics, 2012, 29(4): 217-223.

[36]彭偉斌, 朱森元, 胡澤保, 等. 復(fù)合材料夾芯板的屈曲分析[J].宇航學(xué)報(bào), 2001, 22(4)：41-49.PENG Wei-bin, ZHU Sen-yuan, HU Ze-bao, et al. Bucking of composite sandwich plates[J]. Journal of Astronautics, 2001,22(4): 217-223.

[37]RANJBARAN A, KHOSHRAVAN M R, KHARAZI M.Buckling analysis of sandwich plate using layerwise theory[J].Journal of Mechanical Science and Technology, 2014, 28(6):2769-2777.

[38]張璐. 含分層缺陷復(fù)合材料層合板分層擴(kuò)展行為與數(shù)值模擬研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.

[39]鄒建勝, 曾建江, 童明波. 不同夾芯復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的剪切破壞行為[J]. 機(jī)械工程材料, 2012, 36(9)：38-41.ZOU Jian-sheng, ZENG Jia-jiang, TONG Ming-bo, et al. Shear damage behavior of composite sandwich plate with different cores[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2012, 36(9):38-41.

[40]王燦, 陳浩然. 泡沫夾芯復(fù)合材料梁界面裂紋曲折擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2012, 29(1)：129-135.WANG Can, CHEN Hao-ran. Experimental investigation and numerical simulation of interfacial crack kinking in foam core composite sandwich beams[J]. Acta Materiae Compositeae Sinica, 2012, 29(1): 129-135.

[41]程小全, 寇長(zhǎng)河, 酈正能. 復(fù)合材料夾芯板低速?zèng)_擊后彎曲及橫向靜壓特性[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2000, 17(2)：114-118.CHENG Xiao-quan, KOU Chang-he, LI Zheng-neng. Behavior of bending after low velusity impact and quasi-static transverse indentation of composite honeycomb core sandwich panels[J].Acta Materiae Compositae Sinica, 2000, 17(2): 114-118.

[42]李興冀. 復(fù)合材料柱/泡沫塑料夾芯結(jié)構(gòu)板成型工藝及性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2006：1-69.

[43]秦貞明, 陳以蔚, 李樹虎, 等. 復(fù)合材料夾芯泡沫開孔對(duì)樹脂充模的影響分析[J]. 材料工程, 2009(S2)：141-146.QIN Zhen-ming, CHEN Yi-wei, LI Shu-hu, et al. The influence analysis of holes in foam of composite materials for resin molding[J]. 2009(S2): 141-146.

[44]劉洪政. VARTM在風(fēng)電外殼夾芯復(fù)合材料中的研究和應(yīng)用[D]. 上海：東華大學(xué), 2007：1-74.

[45]魏俊偉, 張興剛, 郭萬濤. 典型夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料VARI工藝成型仿真計(jì)算研究[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2013, 28(5)：71-78.WEI Jun-wei, ZHANG Xing-gang, GUO Wan-tao. Study of typical sandwich structural composites VARI process molding simulation technology and molding experiments[J].Development and Application of Materials, 2013, 28(5): 71-78.

[46]陶杰, 趙啟林, 高一峰, 等. 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫夾芯管制作工藝研究[J]. 工業(yè)建筑, 2014, 44(4)：78-82.TAO Jie, ZHAO Qi-lin, GAO Yi-feng, et al. Processing technology of GFRP composite foam sandwich tube[J],Industrial Construction, 2014, 44(4): 78-82.

[47]孫士勇. 泡沫夾芯復(fù)合材料界面斷裂機(jī)理和增韌研究[D]. 大連：大連理工大學(xué), 2010：1-143.

[48]王燦. 泡沫夾芯復(fù)合材料界面破壞行為及增韌研究[D]. 大連：大連理工大學(xué), 2012：1-142.

[49]孫直. 碳纖維夾芯材料/結(jié)構(gòu)界面破壞及界面增韌的多尺度研究[D]. 大連：大連理工大學(xué), 2014：1-145.

[50]王耀輝. 船舶桅桿復(fù)合層板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2013：1-89.

[51]趙芳. 夾層復(fù)合材料艙室結(jié)構(gòu)的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué), 2014：1-69.

[52]劉昕, 朱錫, 梅志遠(yuǎn), 等. 隱身夾芯復(fù)合材料舵振動(dòng)特性研究[J]. 船海工程, 2009, 38(6): 176-179.LIU Xin, ZHU Xi, MEI Zhi-yuan, et al. Vibration characteristics analysis of sandwich composite acoustic stealth rudder[J]. Ship & Ocean Engineering, 2009, 38(6): 176-179.

[53]侯海量, 張成亮, 李茂, 等. 沖擊波和高速破片聯(lián)合作用下夾芯復(fù)合艙壁結(jié)構(gòu)毀傷特性試驗(yàn)研究[J]. 爆炸與沖擊, 2015,35(1)：116-123.HOU Hai-liang, ZHANG Cheng-liang, LI Mao, et al.Experimental study on the damage characteristics of sandwich composite bulkhead structure under the combination of shockwave and high-speed rupture[J]. Explosion and Shock Waves, 2015, 35(1): 116-123.