一種復合材料—鋼連接結構極限承載能力試驗與數值研究

孫九霄，鄭紹文，蔡敬標

一種復合材料—鋼連接結構極限承載能力試驗與數值研究

孫九霄1，鄭紹文1，蔡敬標2

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064
2中國人民解放軍92537部隊，北京100161

夾芯復合材料因其結構力學性能優異，耐腐蝕，已被廣泛運用于船舶行業。首先，以復合材料甲板室中的夾芯復合材料—鋼連接結構為對象，通過試驗，得到夾層板的載荷位移曲線，推斷出夾層板的極限載荷。然后，對經典層合板理論、Reissener夾層板理論、Hoff夾層板理論和杜慶華夾層板理論進行對比分析，并選用Hoff夾層板理論為理論模型，通過有限元軟件模擬分析，并與試驗結果進行對比，驗證了分析結果的可靠性，可為復合材料連接結構設計提供有益的指導。

復合材料；連接結構；極限強度；結構設計

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20150128.1213.018.html

期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：孫九霄，鄭紹文，蔡敬標.一種復合材料—鋼連接結構極限承載能力試驗與數值研究［J］.中國艦船研究，2015，10（1）：27-31，45. SUN Jiuxiao，ZHENG Shaowen，CAI Jingbiao.The experimental and numerical research on the extreme bearing ca?pacity of a composite-steel connecting structure［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（1）：27-31，45.

0　引言

近年來，隨著對復合材料研究的深入，復合材料成型技術越發成熟，先進復合材料已被廣泛運用于航空、航天、船舶等設計要求嚴格的結構上，因此，復合材料結構的可靠性設計問題也就顯得尤其重要，是當前研究的一個重要方向［1］。目前，國內外關于夾層板的研究主要集中在彎曲性能、抗沖擊、侵徹、連接設計和數值仿真等方面，這些研究的關注點主要為加筋和芯材對結構整體力學性能的影響［2-3］。本文將通過對甲板室外側壁板與鋼制圍欄板對接的模型進行試驗，得到載荷位移曲線，進而獲得極限載荷。同時，將通過有限元的模擬分析，得到層合板的極限載荷，并與試驗結果進行比較，以驗證有限元模擬的可靠性，為層合板在艦船上的設計應用提供指導。

1　試驗模型

本文以典型輕甲板結構室為對象，建立復合材料甲板室外側壁板與鋼質圍欄連接的模型。以上層建筑水壓頭和波浪砰擊載荷為設計載荷，對15和70 kPa這2種工況的靜壓載荷進行計算。夾層板采用蒙皮—芯材—蒙皮的形式，模型如圖1所示。

連接結構試驗試樣總共制作6個，實物照片如圖2所示。

圖2　試件模型Fig.2　Samples of composites

試驗加載方式采用懸臂梁頂端位移加載方式。在試件懸臂端墊置與試件同寬（約50 mm）、厚10 mm的鋼條，以保證靜力加載方式，壓頭載荷均勻作用于試件端部。

為了獲得載荷位移曲線，在層合板末端布置機械位移計。位移測量采用6鉆防震機械位移計，量程為0～10 mm；夾層板主體上表層最大主應變測量采用電阻式應變測量，數據采集采用MDR-80設備，彎曲加載狀態如圖3所示。

圖3　彎曲試驗加載狀態Fig.3　Loading state of bending test

2　試樣工藝穩定性試驗分析

為了驗證工藝的穩定性，測試AC1結構的初始彎曲剛度特性。分別針對試件AC1-W-3，AC1-W-4和AC1-W-5進行線性載荷（1 kN）試驗加載，每件重復3次。每件試件的加載載荷位移曲線如圖4所示。

圖4　穩定性試驗（載荷—位移曲線）Fig.4　Stability test（loading vs displacement）

由圖4可知：試件ACl-W-3重復加載3次后的載荷—位移曲線吻合度均較高；對于試件ACl-W-4，第1次加載在頂端位移16 mm（載荷0.70 kN）后載荷—位移曲線略有下降，后兩次（載荷1 kN）加載時的載荷—位移曲線吻合度很高；對于試件ACl-W-5，第1次加載在頂端位移12 mm（載荷0.56 kN）后載荷—位移曲線略有下降，后兩次（載荷1 kN）加載時的載荷—位移曲線吻合度很高。綜合以上試驗結果，取其下限值，可以認為AC1試件在頂端加載0.56 kN、橫向撓度12 mm以內具有良好的可重復加載特性和工藝特性。

由試驗結果分析可知，3個試件的載荷—位移曲線在頂端1 kN以內載荷作用下的線性度非常好，計算彎曲剛度值分別為：

試件ACl-W-348.6 N/mm

試件ACl-W-443.1 N/mm

試件ACl-W-546.6 N/mm

3個試件的平均彎曲剛度值為46.1 N/mm。

3　強度試驗

為測試AC1試件的彎曲強度特性，分別針對試件AC1-W-3，AC1-W-4和AC1-W-5進行持續極限加載試驗，直至試件出現破壞。3個試件加載的載荷—位移曲線如圖5所示。

圖5　極限加載試驗（載荷—位移曲線）Fig.5　Extreme loading test（loading vs displacement）

由試驗結果可知，3個試件在持續位移加載作用下，載荷—位移曲線的離散度較低，基本一致，表明試件制備工藝具有較好的穩定性。分析試驗結果，可知試件AC1在頂端位移加載時，在1.25 kN附近存在一個小幅拐點，此時測點的應變為5.119×10-3ε，彎曲剛度存在一定的退化；極限載荷的下限在2 kN左右，極限抗彎強度高于550 N·m（力臂取加載中心點至圍欄板頂端的距離，為250 mm）。由圖5可知：層合板在工況1的工作載荷作用下，其對應的承載載荷為0.36 kN，應變為1.456×10-3ε，頂端撓度約7 mm；在工況2的靜壓載荷作用下，其對應的承載載荷約為1.69 kN，應變為7.081×10-3ε，頂端撓度約40 mm。

4　破壞模式試驗分析

進一步對AC1連接結構的破壞模式進行分析，以掌握AC1連接結構彎曲承載的損傷特征規律，正確評價AC1連接結構的設計特點和承載特性。首先，觀察AC1連接結構在頂端載荷作用下的變形形態。如圖6所示，由于圍欄板厚度較大，且在跨中設置了肘板加強，因此抗彎剛度大，且隨著夾層板頂端位移的增加，AC1連接結構的整體變形特征基本為以圍欄板頂部為邊界的懸臂板彎曲形態。

圖6　連接結構變形形態Fig.6　Distortional configuration of connecting structure

由圖5可知，在加載載荷1.25 kN附近，連接結構的載荷—位移曲線出現了第1個拐點，認為此處對應AC1連接結構的初始損傷，但此時試件表面并未發現明顯的損傷現象，初始損傷應為圍欄板跨中肘板尖端附近的夾芯芯材局部失效以及在夾層板與圍欄板頂端邊界接觸區出現的初始損傷。初始損傷出現后，剛度發生小幅下降，但對板的整體承載能力影響較小。板體持續承載，極限承載彎矩達到550 N·m后，載荷曲線趨于平緩，但未出現明顯的卸載現象。此時，檢查板體表面損傷情況，發現上表層過渡區根部出現了不太明顯的發白現象，如圖7所示。而下表層與圍欄板接觸區附近的發白現象則相對清晰，可以認為是由于層合板下表層受壓基體碎裂損傷的結果。

圖7　連接結構損傷情況Fig.7　Damage appearance of connecting structure

5　有限元分析

5.1失效準則

在復合材料夾層板分析中，常用的理論分析模型有Reissener理論、普魯卡克夫—杜慶華理論及Hoff理論。Reissener理論是最簡單的夾層板理論之一，對解決很多實際問題比較實用。Hoff理論可以解決Reissener理論不能解決的問題，如集中載荷作用下的彎曲、固支邊附近的表層局部應力等問題，在工程中得到了廣泛使用。在這些理論中，杜慶華理論考慮得最為全面，計算結果最為精確，但該理論使用起來繁雜而費時，工程中較少應用［4-6］。本文選用Hoff理論來對復合材料夾層板進行分析。ANSYS公司已經把建立在Hoff理論基礎上的夾層單元Shell 181加入到其單元庫內。Shell 181單元是一個4節點單元，每個節點具有6個自由度。該單元非常適合分析線性的、大轉動變形和非線性的大變形問題，同時，也適用于多層結構的建模。本文的有限元分析模型采用ANSYS軟件的Shell 181單元，采用Tsai-Wu準則來判定模型是否失效。

其中：

式中：ε3為失效因子；σx，σy，σz分別為x，y，z這3個方向的應力；σxy，σyz，σxz分別為xy，yz和xz這3個方向的切應力；分別為x，y，z這3個方向的拉伸強度；分別為x，y，z這3個方向的壓縮強度；Cxy，Cyz，Czx為耦合系數。通過失效因子ε3是否大于1來判斷結構是否失效，若大于1，結構失效，反之，則沒有失效。

5.2試件材料參數

1）玻璃鋼表層。

彈性常數：E1=20 GPa，E2=20 GPa，G12=3 GPa，G23=0.99 GPa，G13=1 GPa，μ=0.26，ρ=1.8×103kg/m3。

強度指標：S11max=400 MPa，S11min=-250 MPa，S22max=400 MPa，S22min=-300 MPa（其中正值為拉伸強度，負值為壓縮強度）；縱橫剪切強度為60 MPa。

2）PVC泡沫芯材。

彈性參數：E=90MPa，μ=0.31，ρ=0.08×103kg/m3。

強度參數：拉伸強度2.5 MPa，壓縮強度1.4 MPa，剪切強度1.15 MPa。

5.3ANSYS計算分析

軟件分析流程簡要概括為：

1）先輸入初始參數及材料屬性；

2）劃分網格，生成有限元模型；

3）定義載荷和邊界條件，進行運算；

4）查看夾層板是否失效，如果未失效，增加載荷再進行運算，如果失效，則停止計算。

施加載荷至首層失效后，整個夾層板還能繼續承受載荷，隨著載荷的增加，下一較弱的單層將會發生破壞，繼續增加載荷，直至所有單層失效。首層破壞后，各層的剛度會減小或取消，其中的機理尚不明確。首層破壞后，材料已呈現非線性，而且還需考慮層間應力和層間強度的影響，導致末層破壞強度很難得到確定。采用首層失效的方法對夾層板進行分析的結果與試驗結果吻合較好［7-8］，故本文采用首層破壞強度來預測夾層板的極限強度。

由于模擬只預測夾層板的極限強度，故不考慮接連結構的強度以及連接部位的牢固性，只對夾層板進行模擬。由于對接的鋼板厚度很大，默認其在受壓過程中變形很小并且不影響夾層板的模擬結果，故將邊界約束定為：將夾層板與鋼板連接的部分進行全約束。其有限元網格模型如圖8所示。

圖8　有限元網格Fig.8　Finite element mesh

當施加載荷達到2.2 kN時，芯材最大失效因子為1.16，芯材出現破壞，其他各層的失效因子較小，并未發生失效。此時，層合板仍具有較好的承載能力，如果繼續加載，層合板不會出現明顯的卸載現象。由此，估計層合板極限載荷的下限為2.2 kN，如圖9所示。

圖9　失效因子Fig.9　Failure factor

6　ANSYS模擬結果與試驗結果的比較分析

夾層結構傳遞載荷的方式類似于工字鋼。上、下蒙皮主要承受由彎矩引起的面內拉壓應力和面內剪切應力，而芯材則主要承受由橫向力產生的剪應力。因粘結層芯材表面的空隙中填充了交聯劑/樹脂，提高了連接層泡沫的強度，故夾層板在加載破壞時，破壞位置一般位于粘結層下面的芯材部分。軟件模擬出現首層破壞后，夾層板其他各層仍能承載，夾層板整體仍具有良好的承載能力，不會出現明顯的卸載現象，與彎曲試驗結果吻合較好。由圖5的載荷—位移曲線得到試驗下的彎曲極限載荷約為2 kN，與軟件模擬結果吻合較好。

ANSYS模擬結果與試驗值的對比如表1所示。

表1　模擬結果與試驗值對比Tab.1Comparison of simulation result and the experimental value

由表1可以看出，ANSYS計算得到的極限載荷與試驗數據的誤差為10%，試驗結果與模擬結果吻合較好。

分析誤差產生的原因：

1）試驗通過載荷—位移圖推出的極限載荷本身為估計值，會影響到結論的準確性。

2）夾層結構由不同的材料組成，不同材料組合時的本構關系不能準確模擬本構關系來體現復合材料的整體性能。

3）模擬通過首層破壞得到夾層板極限載荷，并沒有考慮到夾層板的層間應力和層間強度的影響，會對模擬試件產生一定的差異。

7　結論

本文從試驗、理論研究以及有限元軟件模擬分析等方面研究了特定載荷作用下鋼—復合材料連接結構的極限載荷，并對結果進行了對比，得到以下結論：

1）夾層板的破壞模式主要表現為尖端芯材壓潰和上、下表層抗彎失效，在達到極限強度后，仍具有較好的承載能力，無明顯的突發性卸載現象。

2）夾層板結構具有良好的抗彎特性，由于跨

中處肘板的存在，跨中夾層板（芯材）易發生局部損傷，但能滿足工況1的工作載荷需要（安全系數約為5.5），且能滿足工況2的靜壓強度承載要求（安全系數約為1.4）。

3）有限元模擬結果與試驗結果的一致性較好，可以用于夾層板鋪層的設計模擬分析，簡化夾層板的設計過程，為復合材料在艦船方面的運用提供有益的指導。

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［責任編輯：盧圣芳］

The Experimental and Numerical Research on the Extreme Bearing Capacity of a Composite-Steel Connecting Structure

SUN Jiuxiao1，ZHENG Shaowen1，CAI Jingbiao2
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 The 92537thUnit of PLA，Beijing 100161，China

The composite sandwich plate has been widely used in the ship industry due to its excellent me?chanical property and antiseptic property.In this paper，a sandwich composite component applied on a com?posite deck-house（composite-steel connecting structure）is studied，whose design load and ultimate load requirements are obtained by analyzing the stress and strain of laminates under specific loads.Also，the classical lamination theory，Reissener sandwich plate theory，Hoff sandwich plate theory，and Du Qinghua sandwich plate theory are compared，where Hoff sandwich plate theory is finally chosen as the proper theo?retical model to verify the reliability of the presented technique.With finite element software simulation analysis，the actual results obtained in the test are validated through numerical simulation，which provides meaningful guidance for the future design of sandwich composite connecting structures.

composite material；connecting structure；ultimate strength；structure design

U663.9+9

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.004

2014-09-09

網絡出版時間：2015-1-28 12:13

國家部委基金資助項目

孫九霄（通信作者），男，1981年生，博士，工程師。研究方向：復合材料結構設計。E?mail：sunjiuxiao2006@163.com

蔡敬標，男，1967年生，碩士，高級工程師。研究方向：船舶結構設計。E?mail：jingbiaocai@sina.com