SPS夾層結構落錘沖擊試驗研究

姚 鵬，田阿利，劉 昆，胡大偉

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

船舶碰撞一般指船舶在航行水域中與其他海洋結構物發生確實接觸造成的嚴重事故，船舶碰撞事故往往會威脅艦船生命力及人員安全，造成巨大損失。因此，提高艦船結構的耐撞性能對保障艦船安全性具有重要意義。

傳統增強艦船耐撞性的方法是增加防護結構的厚度與優化原有結構，但是應用上述方法無法有效提升船體結構抗沖擊性能，且不利于實現船體結構輕量化等目標。與傳統船體鋼板相比，夾層板結構具有質輕、緩沖吸能特性好等優點，耐撞性能更優[1-4]，有關夾層板在抗沖擊結構領域的研究也日益增多[5-6]。

SPS夾層結構是由兩層鋼板及中間高分子彈性體組成的三層復合材料夾層板結構[7]，SPS夾層結構作為船用夾層板結構的典型代表，其動態力學行為受到越來越多的學者關注，國內外學者開展了SPS夾層結構抗沖擊相關的理論、仿真研究。Ryu等[8-9]結合試驗與數值仿真方法研究SPS夾層結構的抗彎強度并探討了應用粘結劑對SPS夾層結構的面板與芯層脫粘強度的影響；同時，通過分析SPS夾層結構橋梁與傳統橋梁結構的實尺度試驗結果，驗證SPS夾層結構與傳統結構相比具有更強的極限承載能力。薛啟超等[10]基于層間粘結強度分析方法探討SPS夾層結構的層間延遲破壞特性，同時提出了一種將SPS夾層結構等效為正交各項異性板的理論分析方法，進而給出SPS夾層結構的整體剛度表達式[11]。Zhang等[12]采用數值分析手段對比分析了鋼制雙層殼與SPS夾層結構的抗侵徹性能，與雙層殼結構相比，在射流侵徹載荷作用下SPS夾層結構的損傷面積更小，SPS夾層結構的聚氨酯芯層耗能效果更好，同時芯層能夠起到保護背板的作用。Sharma[13]基于動態軸向壓縮試驗研究了SPS夾層方管結構的動態響應特性，試驗結果表明SPS夾層方管結構的比吸能與單層鋁板相當，是一種良好的吸能結構。單成林等[14]進行了SPS夾層橋墩防撞浮箱的碰撞性能有限元分析，研究SPS夾層防撞結構在船橋碰撞工況下的吸能特性。周紅等[15]利用有限元軟件進行SPS夾層結構的耐撞性能分析，并對比加筋板及折疊式夾層板兩種結構，驗證SPS夾層結構耐撞性更優。馬英華等[16]、劉昆等[17]采用數值仿真技術對比傳統舷側結構與SPS夾層舷側結構在撞擊載荷作用下的結構響應，驗證了SPS夾層板結構是一種良好的耐撞性結構，而鄒廣平等[18]、黃超等[19]基于數值仿真計算結果闡述SPS夾層結構對比傳統鋼制結構，抗爆性能有顯著提升。目前相關研究主要以數值仿真為主，試驗研究較少且以低能量沖擊為主，無法準確反應SPS夾層結構在實船應用中的耐撞性能。因此基于高能量落錘碰撞試驗裝置，開展SPS夾層結構的耐撞性能研究，對促進SPS夾層結構在艦船耐撞性方面的應用具有重要意義。

本文主要利用高能落錘碰撞試驗裝置，開展SPS夾層結構與加筋板的耐撞性能試驗研究，分析SPS夾層結構在落錘沖擊載荷作用下的結構損傷、撞擊力變化與吸能特性；通過與加筋板耐撞性能的對比，驗證了SPS夾層結構的耐撞性優勢及其在艦船安全防護領域的應用可行性。

1 SPS夾層結構落錘碰撞試驗

1.1 試件模型

以某艦船船體舷側板架為替換目標，設計SPS夾層結構進行落錘試驗，考慮試驗裝備最大沖擊能量限制，基于縮尺比原理制作試件，試件縮尺比為1∶2。試驗所用舷側板架如圖1(a)所示，面板尺寸為1 000 mm×1 000 mm×4 mm，加強筋為4根50 mm×3.5 mm扁鋼，間距為200 mm，板架結構的總質量為36.90 kg。

基于等質量簡化設計原則：在保證SPS夾層結構質量與加筋板基本相等的前提下確定結構尺寸，SPS夾層結構的上下面板厚度相同，夾芯層高度小于或等于加強筋高度。按照上述設計基本原則對SPS夾層結構進行設計，可得SPS夾層結構上下面板厚度均為1.5 mm，芯層厚度為12 mm，結構質量為37.95 kg，具體結構型式及尺寸如圖1(b)所示。

圖1 加筋板與SPS夾層結構模型(mm)Fig.1 Stiffened plate and SPS structure model(mm)

圖2所示為SPS夾層結構與加筋板試件實物圖，其中SPS夾層結構上下面板材料均為Q235鋼，SPS芯層材料為聚氨酯彈性體；加筋板面板及加強筋材料也為Q235鋼。表1給出了Q235鋼及聚氨酯芯層的材料參數。

圖2 加筋板及SPS夾層結構試件Fig.2 Stiffened plate and SPS structure specimens

表1 Q235鋼及聚氨酯的材料參數Tab.1 Material parameters of Q235 steel and polyurethane elastomer

1.2 試驗設備與方法

采用的50 kJ落錘碰撞沖擊試驗裝置如圖3所示，其主要由電氣操作系統、數據采集系統、落錘結構、試件支座裝置等組成，結構主體高6.3 m。落錘為球形錘體，直徑為150 mm，質量為1 350 kg，錘體最大提升高度為3.7 m，落錘最大沖擊速度8.5 m/s。該規模的SPS夾層結構沖擊試驗能夠在一定程度上反映實船在碰撞事故中的動態響應。

圖3 落錘碰撞沖擊試驗裝置Fig.3 Drop hammer impact test device

為獲得實際應用情況下SPS夾層結構與加筋板在碰撞載荷作用下的動態響應，在支座處設置激光測試系統，記錄落錘碰撞過程中的位移等數據。本試驗落錘結構初始下落高度為3 m，沖擊能量為39 690 J。落錘沖擊系統的支座如圖3所示，其與地基連接具有足夠剛度，同時試件采用焊接方式與基座連接，以實現試件的剛性約束。

試件的塑性變形測點布置如圖4所示，其中測點1至測點5沿加強筋方向布置，測點6至測點10為垂直于加強筋方向布置，測點11至測點15沿與加強筋成45°對角線方向布置。本試驗所采用的試件長寬方向的尺寸為1 000 mm×1 000 mm，半球形落錘的半徑為75 mm。考慮落錘沖擊接觸的結構大變形、破損，試驗測點主要布置在落錘非接觸區域，同時考慮加筋板的正交各向異性，試驗測點布置主要沿加筋方向、垂直加筋方向和與加強筋成45°對角線方向進行布置。為方便準確、直觀地測量試件的塑性變形，則沿面板長、寬方向等距劃分為20個網格，每格長度為50 mm，測點均布置在網格交叉點上。其中，測點1、測點6是分別布置在加筋方向與垂直加筋方向距沖擊中心點100 mm處(即距離落錘貫穿區域最近的測點)的測點。

圖4 塑性變形測點布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of plastic deformation measuring points

在試驗前后利用激光測距儀記錄基準平面到試件測點的距離，計算兩者的差值確定測點位置處的塑性變形量，從而衡量試件的結構損傷情況。

2 試驗結果與分析

2.1 結構損傷

SPS夾層結構與加筋板承受碰撞載荷作用后的損傷變形情況如圖5所示。從圖5(a)與圖5(b)可以看出，SPS夾層結構與加筋板正面的損傷模式基本一致，即前面板局部凹陷，邊界幾乎未出現變形；SPS夾層結構與加筋板正面的破口形狀近似。圖5(a)所示加筋板的失效模式為花瓣開裂，其破口大小與錘體直徑一致；加筋板損傷模式主要為彎曲和拉伸撕裂。圖5(b)所示SPS上面板的花瓣撕裂范圍較小，這是因為芯層對面板的支撐作用抑制了上面板的變形，減小了上面板的局部彎曲變形。

圖5 試件損傷變形Fig.5 Damage and deformation of specimens

觀察圖5(c)所示的加筋板背面沖擊區域可知，加筋板被落錘完全貫穿，沖擊區域附近的加強筋出現屈曲變形。SPS夾層結構的背面損傷情況如圖5(d)所示，由圖可知SPS夾層結構破口損傷程度明顯小于加筋板，且SPS夾層結構沖擊區域的變形面積更大。SPS夾層結構下面板與芯層的主要失效模式均為撕裂變形，下面板呈現三花瓣開裂，裂紋擴展范圍大于加筋板的破口直徑；同時，可以觀察到下面板與芯層的脫粘現象。因為聚氨酯芯層延展性較好，從而在一定程度上減弱了下面板的撕裂變形，進而通過下面板與芯層的脫粘與塑性變形吸收沖擊能量。

表2給出了圖4所述各測點的塑性變形量，由圖5可知，兩個試件與落錘直接接觸區域即測點1與測點6處出現明顯破損，無法測量其塑性變形量。加筋板在測點11處出現破裂，而SPS夾層結構在該點處的塑性變形量較大，但相比加筋板仍保持了結構完整性。在其余各測點處，SPS夾層結構的變形量均大于加筋板，且離沖擊區域越遠的測點的塑性變形量越小，SPS夾層結構與加筋板在測點3與測點4處的塑性變形量相差最大，最大差值達到了14 mm。這表明SPS夾層結構通過自身結構大變形，實現緩沖吸能。

表2 測點塑性變形量Tab.2 Plastic displacement of measured points mm

圖6所示為SPS夾層結構與加筋板各測點的塑性變形量對比圖，其中，XY平面坐標原點為落錘沖擊區域中心點，X軸正向為沿筋方向，Y軸正向為垂直筋方向。由圖6可知，SPS夾層結構與加筋板的測點塑性變形量的變化趨勢基本一致，靠近撞擊區域的1～2個測點塑性變形較大，離撞擊區域越遠的測點的塑性變形越小。

圖6 試件測點塑性變形量對比Fig.6 Comparison of plastic deformation of measured points

因為加筋板面板被錘體迅速貫穿，受沖擊區域的面積有限，且由于加強筋的加強作用使得加筋板各測點塑性變形相對SPS夾層結構較小；而SPS夾層結構芯層對上面板具有支撐作用，芯層延展性較好，能夠在一定程度上增大SPS夾層結構的塑性變形區域面積，提高結構完整度，進而提供良好的防護性能。

2.2 撞擊力-撞深曲線

圖7所示為兩種試件的試驗與仿真計算得到的撞擊力-撞深對比曲線。其中，數值仿真結果采用LS-DYNA軟件模擬試件碰撞試驗計算得到，相關材料參數、接觸等設置參考文獻[15]。從圖7中可以看出兩種模型的力-撞深曲線均具有明顯的非線性特征，且撞擊力呈現先增加至峰值再卸載的變化趨勢，撞擊力峰值伴隨著結構的破壞損傷出現。隨著撞深增加，撞擊力峰值逐漸增加，當撞擊力達到峰值時，加筋板的面板破裂，隨后碰撞力急劇下降。從圖中也可以看出SPS夾層結構的撞擊力變化趨勢相對加筋板更為緩和：SPS夾層結構撞擊力在達到峰值之前，下面板最先出現破裂；由圖7所示撞擊力-撞深曲線可知，初始階段，SPS夾層結構試件所受撞擊力隨撞深增加而增加；此時結構主要變形模式為上面板與芯層局部凹陷和下面板的膜拉伸，由于芯層材料相對較軟，與上面板共同受壓；而芯層抗壓性能優于其抗拉性能，且在此工況下SPS夾層結構下面板與芯層更易因剪切發生脫粘，導致下面板拉應力較大，因此在達到沖擊力峰值之前下面板先出現破損。最后錘體嵌入SPS夾層結構，結構進入卸載階段。

同時，從圖7中可以看出兩種試件有限元模型計算得到的撞擊力-撞深曲線與試驗結果相比，其整體趨勢以及峰值大小都具有較好的一致性，最終撞深也基本相同，但試驗得到的力-撞深曲線的震蕩程度更為明顯，主要原因是錘體裝置與沖擊架相連,因此沖擊架的振動引發試驗數據噪聲出現，導致撞擊力-撞深曲線產生震蕩。圖7中，SPS夾層結構有限元模型撞擊力加載與卸載階段的曲線與試驗曲線基本吻合，但有限元模型的撞擊力峰值滯后于試驗曲線，這主要是因為SPS夾層結構有限元模型中的面板-芯層粘結強度等與試件的實際值存在一定誤差。圖7所示加筋板仿真所得撞擊力-撞深曲線的卸載階段相對試驗結果提前，這是因為錘體貫穿加筋板面板時，沖擊中心區域網格被刪除，導致加筋板抗變形能力下降因而碰撞力卸載階段前移。

圖7 撞擊力-撞深曲線Fig.7 Impact force-displacement curve

表3給出了兩種試件的試驗與仿真得到的碰撞力數值，由表中可知，SPS夾層結構與加筋板的試驗測得撞擊力峰值分別為304.61 kN和391.29 kN，與加筋板相比，SPS夾層結構的碰撞力峰值降幅為28.5%。對于加筋板而言，錘體貫穿加筋板面板后撞擊力急劇下降。在碰撞過程中，因為SPS夾層結構的聚氨酯彈性體芯層延性較好且上下面板較薄，在碰撞載荷作用下易出現較大塑性變形，緩沖錘體作用，所以與加筋板相比SPS夾層結構的加載剛度與撞擊力峰值較小，卸載過程更平緩。

表3 撞擊力峰值對比Tab.3 Comparison of the peak value of collision force

由表3可知SPS夾層結構的試驗與仿真結果所得撞擊力峰值分別為304.60 kN與310.19 kN，誤差為1.8%。加筋板試件的試驗與仿真結果得到撞擊力峰值分別為391.29 kN與359.60 kN，兩者誤差為8.1%。

對比試驗數據可知，SPS夾層結構與加筋板碰撞有限元所得撞擊力峰值誤差在10%以內，對比結果表明采用有限元模型模擬加筋板與SPS夾層結構在碰撞載荷作用下的動態響應是可行的，計算結果是可信的。

2.3 結構變形能-撞深曲線

在碰撞過程中錘體損失的動能主要轉化為結構塑性變形能，圖8所示為兩種試件碰撞仿真模型計算得到的結構變形能對比曲線。從圖中可知，SPS夾層結構的總體變形能明顯大于加筋板，且SPS夾層結構變形能變化曲線更為平緩、持續。當撞深達到0.15 m時，錘體完全貫穿加筋板面板，加筋板停止吸能，加筋板變形能曲線趨于平坦；而此時SPS夾層結構的芯層與上面板仍持續緩沖碰撞載荷，吸收沖頭動能，直至撞深達到0.23 m時，SPS夾層結構變形能曲線趨于穩定。

圖8 結構變形能-撞深曲線Fig.8 Structural deformation energy absorption-displacement curve

根據圖8可知，SPS夾層結構與加筋仿真計算得到結構吸能分別為23.25 kJ與18.70 kJ，與加筋板相比，SPS夾層結構變形能增幅達到了24.33%，表明SPS夾層結構的吸能效果顯著優于加筋板。

在承受相同碰撞載荷作用時，SPS夾層結構的結構完整度高于加筋板，能夠起到較好的防護作用；同時其加載與卸載過程相對緩和，能夠持續吸收沖擊能量。SPS夾層結構上下面板與芯層的損傷失效以及面板芯層之間的脫粘過程均有效提升了結構的整體吸能，因此與加筋板相比SPS夾層結構吸能效果更優，是一種良好的抗沖擊防護結構。

3 結 論

本文主要通過開展加筋板與SPS夾層結構的落錘碰撞試驗，研究SPS夾層結構的耐撞性。

(1)相較于加筋板，SPS芯層材料為聚氨酯彈性體，其延性較好且能夠為上下面板提供充足支撐，因此SPS夾層結構面板與芯層在碰撞載荷作用下的變形面積更大，碰撞區域的塑性變形量更大。

(2)由試驗結果可知：SPS夾層結構的撞擊力峰值曲線在加載與卸載階段變化更為平緩，與加筋板相比碰撞力峰值降幅達到了28.5%，能夠持續緩沖撞擊載荷作用，SPS夾層結構的防護性能較優。

(3)由數值仿真計算結果可知：在相同撞擊載荷作用下，SPS夾層結構的吸能增幅相對加筋板達到了24.33%；SPS夾層結構能夠通過自身塑性變形緩沖吸能，從而減少結構損傷。

通過以上分析可知，與加筋板相比，SPS夾層結構的耐撞性能提升明顯，且SPS夾層結構的完整度更高，結構安全性更優。由于SPS夾層結構具有優異耐撞性能，其在艦船防護應用領域具有巨大潛力。