船用鋼-聚氨酯復合夾層板的沖擊性能分析

李路遙，王 林

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003)

0 引言

鋼-聚氨酯復合夾層板具有優異的抗沖擊性能和抗破損能力，可應用于船舶舷側等結構部位以提高船舶的耐撞性能，已在船舶修造中推廣應用，因此進行鋼-聚氨酯夾層板的抗沖擊性能的研究具有現實意義。借助有限元方法對其進行碰撞性能的模擬分析時，應選擇合適的建模方式，以達到較高的求解精度以及可以接受的效率，同時也應與普通鋼板進行對比，分析其應用于結構中的優勢。

1 試驗及結果

試驗的目的在于真實的反應實際情況，比對分析夾層板與鋼板在受沖擊后的變形位移及能量吸收。撞球選定為標準鉛球，重7．26 kg，鉛球在距試樣5．84 m的正上方自由落下，不計空氣阻力，鉛球撞擊試樣的速度為10．7 m/s。在有限元初步模擬的前提下，參照中國船級社CCS《鋼夾層板材料船舶結構建造指南》及現有試驗條件，確定了質量基本相同的鋼板及夾層板試樣尺寸。

夾層板試樣的尺寸定為長a為550 mm，寬b為150 mm，上、下鋼板厚度 t1、t2均為2 mm，中間聚氨酯芯層厚度tc為6 mm。鋼板的長、寬與夾層板相同，厚度為5 mm。聚氨酯材料的密度為1．2 g/cm3，約為鋼板的1/6。這樣夾層板試樣與鋼板試樣的質量基本一致。試樣具體尺寸見表1，加工后試樣實體如圖1所示。

表1 試樣具體尺寸

圖1 加工試樣

試樣兩短邊做簡支約束處理如圖2所示。撞擊時記錄撞球彈起的高度用于計算剩余能量，撞擊發生后測量垂直方向的最大變形位移，具體結果見表2，沖擊后的試樣如圖3所示。

圖2 邊界條件示意圖

圖3 沖擊后的試樣

2 試驗結果與有限元模擬結果的分析

有限元作為一種強有力的結構分析工具，在結構的設計中起到很重要的作用。有限元分析與試驗相結合可以得到更為有價值的結果，選擇合適的有限元建模方式對夾層板抗沖擊性能的進一步研究有著重要意義。

表2 試驗結果

2．1 有限元模型單元的選擇

板單元主要用于薄板或曲面結構的模擬，板單元分析應用的基本原則是每塊面板的主尺寸不低于其厚度的10倍［1］。鋼板試樣的寬度為150 mm，厚度為5 mm，是厚度的30倍。長度取跨距長度為425 mm，是厚度的85倍，所以鋼板的主尺寸與厚度比遠大于10。有限元模型見圖4(a)。鋼-聚氨酯復合夾層板的寬度為150 mm，長度取跨距長度為440 mm，其中2個外板的厚度均為2 mm，寬度是外板厚度的75倍，長度是外板厚度的220倍。芯板厚度為6 mm，寬度是芯板厚度的25倍，長度是芯板厚度的73倍，理論上均可以采用板單元模擬。

圖4 有限元建模方式

鋼-聚氨酯復合夾層結構由3部分組成，最外層是面板，主要承受彎曲變形引起的正應力;中間是芯材，為夾層結構提供足夠的截面慣性矩，主要承受剪應力［2］。復合夾層板在抗沖擊性能上的優越也主要因為其夾芯的結構優勢，體單元比面單元具有更高的模擬精度。為了達到更為精確的模擬結果，決定使用體單元模擬復合夾層板的芯層，如圖4(b)所示。

實心鉛球在撞擊過程中的變形很小，可以忽略對撞擊效果的影響。選用剛性材料的面單元模擬，質量為 7．26 kg。

2．2 材料參數

鋼板試樣及夾層板試樣中的鋼材使用Q235，密度 7．85 g/cm3，泊松比0．3，屈服強度235 MPa，采用Cowper-Symonds模型考慮應變率影響［3］。屈服應力與應變率關系為:

式中:σy為屈服應力;σ0為初始屈服應力;ε為應變率;C和P為應變率參數，對于一般鋼材，C=40．5，P=5。

夾層板的夾心材質為聚氨酯，屈服強度為18 MPa，密度為 1．2 g/cm3，彈性模量為 480 MPa，泊松比為 0．46。

實際中聚氨酯材料具有應變率效應，在中高應變率情況下其材料的應力應變曲線較靜力試驗結果有變化。中、高應變率下的材料參數不容易獲得，文獻［4］中試驗所用聚氨酯密度為0．472 g/cm3，在不同應變率下所得結果如圖5所示，應力應變曲線均隨應變率的提高而提高。

試驗所用聚氨酯密度為1．2 g/cm3，與文獻［4］中試驗用材料同為硬質聚氨酯泡沫塑料，靜力拉伸曲線也相似，碰撞試驗過程中材料應變率數量級在102/s左右?？梢哉J為本試驗中所用的聚氨酯在試驗沖擊情況下的應力應變曲線相對于靜力試驗結果的變化會與文獻［4］中類似，彈性模量及屈服強度會有相應的提高。但復合夾層結構中聚氨酯主要起到支撐的作用，在碰撞發生時的吸能占總吸能很小一部分，對試驗進行的有限元模擬結果為5．5%，聚氨酯材料的應變率效應對整個夾層板的吸能影響不大，所以在有限元建模中不考慮應變率對聚氨酯材料參數的影響。

圖5 不同應變率情況下聚氨酯的應力-應變曲線

2．3 有限元模擬結果與試驗結果的對比

有限元數值模擬詳細計算結果與試驗結果對比見表3。

表3中有限元模擬及試驗結果顯示:在垂直方向試樣的變形位移及剩余能量上，有限元模擬結果(圖6)與實際試驗結果基本吻合，誤差在10%以內，說明有限元的建模方式選擇合理。需要說明的是，在試驗時的簡支支座非完全剛性，沖擊時會產生輕微震動，消耗少部分能量。實際試驗剩余能量應略大于試驗值，鋼板和夾層板的剩余能量有限元模擬結果比試驗結果大也驗證了這一點。

表3 有限元計算結果與試驗結果對比

圖6 位移變形圖

2．4 夾層板與鋼板的抗沖擊性能比較

相同質量的鋼板與鋼-聚氨酯復合夾層板的試驗結果對比見表4。

表4 試驗結果對比

在夾層板結構中，由于夾層板的厚度增加，慣性矩提高，整體結構剛性增大，彈回的能量較多，吸收的能量比鋼板的稍小，但撞深夾層板比鋼板要小很多。為了綜合比較撞深與吸能，引入吸能與撞深比，即吸能/撞深。

受到同等沖擊載荷下，鋼板在沖擊方向的塑性形變位移即撞深為78 mm，吸能為388 J，吸能與撞深比為4．97 J/mm，夾層板的撞深為46 mm，吸能為358．1 J，吸能與撞深比為7．78 J/mm。受到同等沖擊載荷時，夾層板比鋼板的變形減少41%;與普通鋼板相比，吸能與撞深比較鋼板提高56．5%。雖然撞深與吸能不曾完全線性關系，但在結構未發生破壞前吸能是隨撞深同步提高的，所以在受到同等沖擊條件下，夾層板比鋼板發生的形變小很多;在同能的撞深下，夾層板能吸收比鋼板更多的能量。相對于普通鋼板，鋼-聚氨酯夾層板具有更好的抗沖擊性能。

3 結語

(1)針對鋼-聚氨酯復合夾層板設計并進行了沖擊試驗，得出了變形位移及吸能的數據，與有限元數值模擬結果相對比，驗證了有限元模擬方法的有效性，對進一步利用有限元對夾層板的抗沖擊性能研究提供了參考依據。

(2)通過對夾層板與鋼板在沖擊變形位移及吸能方面的比較，得出質量相同的夾層板與鋼板在受到同等沖擊載荷情況下，鋼-聚氨酯夾層板相對于普通鋼板在抗沖擊性能方面的優勢。

(3)鋼-聚氨酯夾層板的整體抗沖擊性能優越，但芯板吸收的能量占整個夾層板吸收能量的很小一部分，優化芯板與外板的厚度比，會進一步提高夾層板的抗沖擊性能。

［1］ 王鑫，麥云飛．有限元分析中單元類型的選擇［J］．機械研究與應用，2009，22(6):43-46．

［2］ 姚秀冬，周叮，劉偉慶．復合材料夾層板芯層內樹脂柱對性能的影響［J］．材料與科學工程學報，2009，27(6):937-941．

［3］ 黃超，姚熊亮，張阿漫．鋼夾層板近場水下爆炸抗爆分析及其在艦船抗爆防護中的應用［J］．振動與沖擊，2010，29(9):73-76．

［4］ 胡時勝，劉劍飛．硬質聚氨酯泡沫塑料本構關系的研究［J］．力學學報，1998，3(2):151-155．