復合材料夾芯結構研究現狀及其在船舶工程的應用

朱子旭，朱 錫，李永清，陳 悅

(海軍工程大學艦船工程系，湖北 武漢 430033)

0 引 言

復合材料，特別是纖維增強復合材料，由于其優良的物理性能，以及結構的可設計性，被廣泛應用于各種工程領域。以復合材料為面板的三明治夾心結構由于其具有良好的比強度、阻尼特性[1]，以及巨大的比剛度優勢，被應用于船舶、航空航天、道路橋梁等對材料要求很高的領域。對于固體材料，在引入復合材料夾心結構后，為達到相同承載要求增重了6%的情況下，結構總體剛度可增加37倍之多[2–3]。與此同時，復合材料夾芯結構除了擁有復合材料本身的優良特性，還因為其芯材的多樣性和可設計性，從而可以同時具備其他的特性，例如聲學特性、熱學特性等。其新型的結構設計，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。

本文針對復合材料夾芯結構，針對其特種性能、特種結構、力學分析方法、制造工藝以及其在船舶工程方面的應用幾個方面，對其在國內外的研究現狀進行綜述，從而提出復合材料夾芯結構在未來可能的發展趨勢與研究方向。

1 復合材料夾芯結構的結構形式研究

復合材料夾芯結構是指在具有一定厚度的芯材兩側貼上復合材料板作為蒙皮的三明治結構。復合材料面板可選用樹脂基、陶瓷基、金屬基等纖維增強材料，芯材也可以選用泡沫、橡膠、陶瓷、金屬等。在大多數工程情況下，為了利用復合材料夾芯結構重量輕，強度高的特性，選用較輕質的材料類型。復合材料夾芯結構的一般形式為：碳纖維或者玻璃纖維增強樹脂基復合材料為面板，密度小于1 kg/m3的輕質泡沫、橡膠等材料。

復合材料夾芯結構的芯材具有很強的可設計性，除了通過改變芯材的材料來改變結構整體的性能，還能通過芯材或者表層的特種結構設計來優化結構的性能。通常增強形式有在芯材中加入增強構件，例如短切纖維增韌泡沫芯材[4]、橫隔板增強型泡沫[5]、Z向增強型芯材[6]、X-cor夾層結構[7]等；或者是對芯材結構進行特種設計，例如蜂窩夾芯板[8–10]、點陣夾芯結構[11]；或者對芯材連同表層進行特種結構設計，例如復合材料環形夾芯柱[12]、夾芯復合材料箱型導梁[13]。

1.1 增強構件研究

在軟質芯材中添加模量高的增強構件，可以顯著增強夾芯結構的力學性能。夾芯結構本身具有一定的結構缺陷，芯材為了減少結構重量的同時增加結構抗屈曲能力，往往選用模量較低的泡沫類材料，所以在一定的工況下，復合材料夾芯結構易發生芯材剪切破壞，需要對泡沫芯材進行增強[5]。橫隔板和Z向增強結構可以有效增加芯材的抗剪強度。由于泡沫材料有可能在受到正應力的情況下發生壓潰，所以可以引入X-cor或K-cor夾層結構，其除了增強結構的抗剪強度，還能顯著增加結構的抗壓強度。X-cor和K-cor的主要區別是，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[5]。對于此類增加板構件對芯材增強的結構，其主要研究方向是對板構件的布置和材料種類進行優化設計，布置方案包括增強構件的間距、厚度和角度（X-pin）。例如，經研究可知，當Z-pin的體積分數、模量和直徑增大時，X-core的剪切模量隨之增大，當Z-pin的體積分數固定，Z-pin的角度為45°時，結構的剪切模量打到最大[7]。對于復合材料夾芯結構，面板和芯材間的界面容易發生在加工或使用過程中產生缺陷，界面損傷破壞也是最常見的結構失效模式之一[4]。對此，增強界面的增強構件對增加結構的整體力學性能也有很大的影響，例如X-cor夾層結構，短切纖維增韌泡沫夾芯結構都可以將層間界面的剪切應力傳遞到橫向的增強結構上，從而有效增加界面的抗剪強度。

1.2 特種芯材的夾芯結構研究

使用特種芯材同樣可以顯著改變結構的物理性能，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合材料具有優良的力學性能，被廣泛應用于飛機、火車車廂、船舶和建筑等領域。蜂窩夾芯結構的結構件和非結構件可以比傳統材料構件分別減輕其重量的50%和75%，美國的B-58高速轟炸機的外形面積的85%以上使用了蜂窩夾芯材料，民用客機例如波音747客機上，同樣使用大量的蜂窩夾層材料，其壽命可達20 000 h，而且減輕的重量可以增加乘客的數量[8]。由于蜂窩夾芯復合材料在各個工程領域中承擔了結構構件的功能，所以其在一定程度損傷后的剩余力學性能也是一個研究的要點。文獻[9]中，通過試驗驗證了復合材料蜂窩夾芯板在低速沖擊損傷后的壓縮能力變化。由試驗結果分析可知，側向的低速沖擊損傷嚴重影響了復合材料蜂窩夾芯板的壓縮性能，隨著沖擊能量的增加，結構的剩余壓縮強度隨之減小；夾芯結構前面板的性能決定了壓縮破壞的形式是局部失穩還是強度破壞；可以通過使用平紋玻璃布作為面板來減小沖擊損傷，且使結構內部的損傷容易探知[9]。除了蜂窩結構外還有一些新型的特種夾芯結構，例如點陣夾芯結構。點陣夾芯結構是一種特殊形式的夾芯結構，其中沒有連續的整體芯材，而是使用沿結構厚度方向布置的分離的復合材料纖維柱或纖維筒連接兩邊的面板，如圖2所示。點陣夾芯結構由于使用全復合材料，可以使用一體加工工藝整體成型，從而規避了普通復合材料夾芯結構層合時的界面連接問題，從而減少了產生結構缺陷、工藝缺陷的可能。其整體結構因為厚度的增加和普通的夾芯結構一樣可以提高板的抗彎抗剪能力，而由分離的高模量復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合材料結構更小，比強度、比剛度、緩沖吸能性能更好[11]。

1.3 特種復合材料夾芯工程構件研究

此外，由于復合材料結構在特殊工程狀況下的應用需求，一些特種的復合材料夾芯結構特別設計出來，例如復合材料環形夾芯柱和夾芯復合材料箱形導梁。礦業護井柱需求高承載能力，離散性小，耐腐蝕性好，質量輕，而且能在潮濕環境下具有較長服役期的新型材料結構。目前常用的材料有木柱、混凝土柱、液壓式鋼柱等，都不能在各方面達到工程要求[12]。文獻[12]中介紹的大直徑木材夾芯環裝纖維復合材料支護柱具有傳統材料所不具備的各方面性能，除了可以應用于礦業，還可以廣泛適用于建筑業。

導梁是為了減少橋梁架設過程中橋梁體的內應力，加大頂推跨度而在主梁前段設置的臨時結構，在大跨度橋梁的建設中起到重要的作用。復合材料夾芯結構自重輕，力學性能好而且可設計能力好，故可以設計成箱形結構形式的導梁。復合材料夾芯導梁可以使用蜂窩芯材進一步減輕重量，而且可以通過仿真計算，對結構度局部鋪層角進行優化設計從而控制結構的撓度分布[13]。

圖 2 點陣夾芯結構示意圖[14]Fig. 2 Composite lattice truss core sandwich structure

圖 3 復合材料環形夾芯柱[12]Fig. 3 Sandwich composite pillar

2 復合材料夾芯結構的非力學性能研究

復合材料夾芯結構可以通過設計，具有一些特種性能，并應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性能、電學性能、聲學性能等。

2.1 熱學性能研究

在航空航天、核設施等工程領域中，復合材料結構需要在高溫環境下工作，對其進行力學分析的同時必須考慮其熱學性能的影響，因此復合材料結構的熱傳導和熱效應研究也是復合材料領域的一個熱點[15]。對于復合材料夾芯結構，由于芯材的存在，其熱效應溫度場的分布特點有別于普通的復合材料結構，芯層內部各處溫度值和溫度變化率都是連續的，但是在芯層與面板交界處的溫度值連續，溫度變化率并不連續。針對這個復雜問題，需要基于有限元模型來建立復合材料夾芯結構瞬態溫度場分析有限元非線性方程。通過數值算例求解，可以證明有限元模型分析的有效性，并得到瞬態的溫度場結果[16]。除了熱學性能，溫度本身還會影響復合材料夾芯結構的其他性能，例如介電性能。在濕熱環境下，復合材料面板對PMI泡沫芯材可以起到保護作用，從而降低其吸濕率，進而影響材料的介電常數[17]。濕熱環境的影響可以通過實驗的方法進行驗證。

圖 4 典型復合材料夾芯結構溫度場結果[16]Fig. 4 Typical sandwich composite structure temperature field result

2.2 聲學性能研究

由于復合材料夾芯結構面板和芯材的可設計性，可以設計得到具有吸聲吸波性能的材料以應用于艦船聲隱身領域[18]。經研究可知，聚氨酯泡沫有良好的吸波吸聲性能[19]，可作為復合材料夾芯結構的芯材。此外，由于復合材料夾芯結構本身具有可設計的、較高的阻尼性能[20]，且力學性能優良，所以這種結構非常適合制造潛艇的結構[21]。

復合材料夾芯結構的聲隱身性能研究主要包括2個方面，材料研究和結構研究。經過計算分析，使用碳/玻璃纖維混雜成型的復合材料作為面板，用聚氨酯阻尼吸聲材料作為芯材的夾芯結構，相比于鋼結構可以大大降低其振動水平[22]。利用數值計算和有限元仿真方法，可以對復合材料夾芯結構的各層材料參數，例如厚度、聲特性阻抗和損耗等性能進行設計，優化結構的力學性能和聲隱身性能，其聲隱身能力也高于鋼結構[18]。

3 復合材料夾芯結構的力學分析方法研究

由于復合材料夾芯材料作為結構材料在各個工程領域有大量的應用，其力學性能分析研究擴展到了很多方面，主要包括強度分析、剛度分析、損傷破壞分析、屈曲分析等。

3.1 基本模型與強度分析研究

對于復合材料夾芯結構，因為其結構復雜，芯材和面板有不同的力學性能，而應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，所以復合材料夾芯結構的力學計算有別于普通的板殼梁的力學計算，有其獨特的復雜性。在以往的研究中已經提出了一些計算模型[23]，常見的理論可以歸納為以下幾種類型：

1）Reissnei型理論將表層的復合材料面板看做為薄膜，認為其值承受平面力，不考慮板自身的抗彎剛度，對于芯材則認為只承受剪切作用；

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。

以上幾個計算模型都認為芯材并不傳遞厚度方向上的正應力，即夾芯結構的前后面板是獨立變形的。雖然這些方法簡化了復雜的模型，但是在很多實際工程中其計算結果出入較大。所以在實際工程分析中往往使用高階理論分析或者有限元法進行計算[24–25]，有限元算法可以較好地模擬實際工況下的結構響應，但是其計算過程復雜，無法得到直觀的解析公式，只能針對工程個案進行分析，難以直接指導工程設計。也有文獻利用較復雜的理論模型，將芯材的剪切變形考慮緊層合梁的彎曲理論進行計算[26–29]。這種方法是通過變形假設，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，進而求出撓度和面板的彎矩和剪力。使用這種復雜的簡化模型進行計算其分析難度遠大于前文所提到的3個簡單模型，但是其計算精度大大提高[30]。通過實驗與計算的對比，這種復雜模型的計算結果和實驗數據的誤差依然大于20%[31]。所以以目前的研究現狀，使用有限元仿真計算分析復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

對于復合材料夾芯結構，其芯材的彈性模量往往遠小于復合材料面板，在連續變形下各層的應力分布不均勻。在很多工況下，加載區附近的局部會產生遠大于其他區域的應力和變形的局部變形現象。局部破壞，例如局部的材料屈服、屈曲、剪斷，會先于整體破壞發生[32]，而且由于低模量芯材的塑性變形夾芯板內部會有局部的殘余變形[33]，所以對復合材料夾芯結構的剛度分析和局部剛度優化設計對于結構的整體承載能力有很大的影響。文獻[32]和文獻[34]中，通過對簡化模型的理論推導，得到了2種可靠的復合材料夾芯結構變形計算公式。其中文獻[32]中使用的無量綱基本方法和半解析分析方法相對簡單，且計算結果和實驗結果較為符合。用F（x，y）和W（x，y）表示應力函數和受載荷面板與另一面板之間的相對撓度。對于反對稱角或者對稱正交鋪設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，所分析問題為局部的彎曲問題，當橫向載荷q=0時對應于局部屈曲問題。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

由于復合材料層合板其自身穩性較差，而且工程中使用的復合材料夾芯結構往往尺寸較大，所以屈曲分析也是其力學分析中的一個重點。一種屈曲問題研究方法是，首先建立結構的幾何方程、物理方程和應變能表達式以及在給定載荷條件下的外力勢能表達式，然后根據位移的邊界條件利用正交的三角級數構造結構的位移模態，最后根據最小勢能原理求解結構屈曲的臨界載荷[35]。此外，也可以通過最小勢能原理和能量變分方法建立復合材料夾芯結構的穩定性控制方程[36]。文獻[37]使用一階殼變形理論和Rayleigh-Ritz理論來近似確定復合材料夾芯板的位移場，從而計算屈曲載荷。其計算結果良好地遵從了分層理論（layerwise theory），證明復合材料夾芯板的屈曲問題可以使用分層理論進行分析[37]。除了理論數值計算，還可以通過有限元仿真計算的方法得到目標結構的屈曲模態和屈曲載荷，經過與試驗結果的對照，有限元計算的結果比較精確[38]。通過計算，可以對結構進行優化設計，改進鋪層角，改變芯材來提高結構的屈曲載荷，增強其承載能力。

3.4 損傷破壞分析研究

復合材料夾芯結構損傷問題，主要包括結構失效問題、裂紋擴展問題和損傷后剩余強度問題，研究的方法以試驗研究和有限元仿真計算為主。文獻[39]研究了蜂窩芯材夾芯結構和泡沫芯材夾芯結構在剪切作用下的破壞行為，發現芯材的橫向剪切模量對夾芯結構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構，其屈曲載荷高于泡沫夾芯結構，較不容易發生屈曲。對于蜂窩夾芯結構和泡沫夾芯結構，其破壞模式均為面板沿加載對角線方向鼓起破壞[39]。界面問題具有復雜性，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缺陷。所以當復合材料夾芯結構承載時，裂紋容易在界面處產生，也容易沿著界面擴展。研究裂紋擴展問題的主要方法是針對雙懸臂梁試件（DCB）進行兩側面板對拉的實驗和有限元仿真。從結果可知，面板和芯材的模量差距越大，著裂尖模態比越大，則發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入芯材，之后在芯材中延平行于界面的方向擴展[40]。由于復合材料夾芯結構的結構特點，低模量的芯材和界面區域容易出現損傷，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[41]研究了受到低速沖擊后的蜂窩夾芯板的力學性能問題，低速沖擊會使復合材料蜂窩夾芯板的彎曲強度大幅度降低，損傷后的夾芯板受到彎曲載荷時，其前面板發生界面分層擴展，然后前面板分層出現的子層發生局部屈曲從而導致結構破壞。

4 復合材料夾芯結構的制造工藝研究

復合材料夾芯結構通常使用 RTM[42–43]，VARTM[44]，VARI[45]工藝進行制造生產。對于一些特種結構或者特種需求也會更改工藝細節或者使用別的制造工藝，例如全部用復合材料備制的點陣夾芯結構可以使用預浸料鋪放工藝，通過熱壓技術一體化成型[14]。或者對泡沫夾芯管采用預制芯材然后使用復合材料纏繞工藝制造內外蒙皮的工藝方法[46]。

4.1 工藝比較分析

比較幾種工藝的特點，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測模具內部的狀況，有可能發生芯材變形造成報廢。所以推薦在使用密度較大的密實芯材時使用以上幾種工藝進行制造生產[42]。在使用VARI工藝制造復合材料夾芯結構時，可以在成型過程中監測真空袋內部的情況。但是需要對浸膠進行精確的控制，防止過度浸膠、未浸膠、殘留氣泡等問題，以保證成品的質量[44]。為了提高成品的質量，一些工藝研究也提出了一些技術細節，例如在芯材上開孔以利于充模和樹脂的流動。經過計算，經過優化的開孔布置方式可以有效地縮短充模時間，使樹脂流動均勻。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]。對于復合材料夾芯結構的成型工藝，也可以利用有限元仿真對成型過程進行模擬，對參數進行優化調整，從而提高制造的效率，壓低成本[45]。

4.2 界面增韌工藝研究

因為界面問題是復合材料夾芯結構不可避免的結構弱點，所以在生產工藝中考慮界面增韌是提高復合材料夾芯結構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一層預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理是，界面內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構以提高斷裂韌性[50]。

5 復合材料夾芯結構在船舶工程方面的應用

目前，復合材料在船舶領域有很多方面的應用，復合材料本身有比強度、比剛度高的優點，相比使用鋼材作為結構材料，可以大大減輕船舶自重，從而增加載重，加快航速，提高航運效率。此外，不同于金屬材料，樹脂基復合材料船對海水的適應性較好，不會發生腐蝕反應，電化學腐蝕反應等，從而延長了船舶壽命，降低了維護保養成本。復合材料夾芯結構應用在船舶領域，相對于普通的復合材料解決了其需要較大的厚度來增加自身剛度的問題，從而增大了復合材料可以使用的部件的尺度。在船舶中已經研究和應用的復合材料夾芯結構構件有桅桿[50]、艙室[51]和舵[22,52]。其中，桅桿和艙室主要利用了復合材料夾芯結構的力學性能。復合材料夾芯舵除了利用材料質輕，強度高的特點，還利用了其可設計性強，且材料的固有頻率低于同形態的鋼制結構[52]的特點。通過舵在流體壓力作用下的有限元仿真計算，對復合材料面板進行材料設計和鋪層設計，來提高舵的綜合性能，大大降低振動水平，從而提高效率[22]。

從20世紀90年代開始，歐美的船舶公司就開始使用夾芯復合材料結構制造各種類型的船舶。1993年，Hexcel和Finnyards公司聯合研制成了一型復合材料夾芯結構船殼的快速渡輪，其載重量比當時最大的的雙體船大5倍。3年后下水的另一型復合材料夾芯結構制造的快速渡輪，其航速可達到普通渡輪航速的2倍，而且穩定、舒適[8]。在民船領域，復合材料夾芯結構船的應用已經有了一定的基礎，但是在我國，大型整體復合材料夾芯結構船尚未起步。除了在民船領域之外，復合材料夾芯結構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合結構的潛艇、聲吶外殼，還有使用夾芯復合板作為防彈材料的艦船裝甲[53]。

6 展 望

目前，對于復合材料夾芯結構的研究主要集中在機理研究，隨著其在各行各業更加廣泛的應用，研究的重點將會轉向針對具體性能需求的材料設計、結構設計、工藝設計研究。開發出特種化、功能化、標準化、系統化的復合材料夾芯結構。針對船舶領域，復合材料夾芯結構的應用將從局部應用轉向整體應用，適用的船舶尺寸也將從中小型向大型發展。此外由于復合材料夾芯結構良好的可設計性，其具有的特種性能設計結構將會更多的應用于軍船領域。

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