爆炸損傷后U型夾層板剩余強度實驗研究

王 哲，費寶祥，趙辰水，劉 昆

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

艦船在海上航行和作戰時會受到爆炸沖擊載荷的威脅，合理的結構設計可以提高艦船的抗沖擊性能，而評估沖擊損傷后艦船的剩余強度對保障艦船生命力也至關重要。夾層板作為一種新式結構，具有重量輕、比強度高、隔音降噪效果好、抗沖擊能力強等特點，又因其能夠有效減輕船舶重量、降低重心高度、提高艦船抗沖擊性能，因此夾層板在艦船中的應用逐漸增多[1 – 3]。為了充分研究夾層板的力學性能，相關學者開展了大量的研究工作。張延昌[4 – 5]利用數值仿真和結構試驗研究了夾層板的橫向壓皺強度，分析了壓皺載荷下的變形模式和吸能機制，同時基于遺傳算法提出了一種夾層板防護性能優化方法。胡杰[6]對激光焊接夾層板的極限強度進行試驗研究，研究表明夾層板縱向承載能力優于橫向承載能力。譚年富[7]對泡沫夾層復合材料的低速沖擊以及沖擊損傷后材料的剩余強度進行數值模擬分析，所得結果與試驗吻合良好。佟安時[8]對含孔型缺口的纖維金屬夾層板剩余強度進行試驗研究，研究表明單軸拉伸載荷下中心孔的存在會使得結構剩余強度大幅降低。王自力等[9 – 13]對夾層板結構在爆炸載荷下的動響應進行研究，表明其具有較好的緩沖、吸能特性，可以顯著提高艦船結構抗沖擊性能。然而，對于爆炸載荷作用后夾層板的極限強度問題，目前的研究還相對較少，因此有必要開展相關研究以豐富和完善對夾層板力學性能的認識，促進夾層板在艦船中的應用。

本文以U型折疊式夾層板為研究對象，對爆炸載荷作用后U型夾層板的剩余極限強度開展試驗研究，研究爆炸損傷后夾層板的力學性能，并以此為基礎開展剩余強度數值仿真分析，以驗證有限元分析技術的可靠性，為分析基于夾層板的船體結構強度提供技術支撐。

1 U 型夾層板剩余強度實驗研究

1.1 試驗裝置及試件

試驗研究結構強度最真實有效的方法，通過三點彎曲試驗，對U型夾層板開展研究，分析爆炸損傷后U型夾層板結構的極限承載力。本試驗主要設備為YNS1000電液伺服萬能試驗機以及配套的數據采集系統，如圖1所示。

如圖2所示，試件選自水下爆炸載荷沖擊后的U型夾層板，爆炸沖擊導致夾層板產生初始變形，但整個夾層板結構并未完全失穩，仍然具有一定的結構強度。試件1、試件2用來研究夾層板的縱向極限承載力，載荷施加結構及下部支撐結構的布置方向均垂直于夾芯方向；試件3、試件4用來研究研究夾層板的橫向極限承載力，載荷施加結構及下部支撐結構的布置方向均平行于夾芯方向。

1.2 試驗步驟

如圖3所示，試驗共進行4組，下部由2個直徑40 mm圓輥支撐，上部由一個直徑40 mm圓輥通過設備進行加載。采用準靜態位移加載方式，加載速度為4 mm/min；每次試驗開始前，預壓1 kN載荷后卸載；試驗過程中的載荷-位移曲線由計算機數據采集系統自動采集。在試件上下表面按要求畫好邊界位置以及載荷施加點的位置。在確認測試系統正常的基礎上進行加載，按預先規定的預載力和速度加載，記錄構件位移和載荷大小，直至結構完全失穩。

1.3 試驗結果及分析

圖4為4組試驗所得載荷-位移曲線，通過曲線可知極限載荷的大小：試件1、試件2的縱向極限承載力分別為294.1 kN，300.9 kN；試件3、試件4的橫向極限承載力分別為 48.3 kN，46.1 kN。4 種載荷-位移曲線的整體趨勢基本一致，在初始階段載荷均隨著位移的增加迅速上升，在到達峰值后逐漸下降。前2種試件的極限承載力明顯大于后2種試件，到達極限載荷時的位移小于后2種試件，且前2種試件的載荷下降幅度也明顯較快。后2種試件的峰值部分比較平緩，下降幅度也相對較慢，說明夾層板橫向結構在失穩過程中沒有明顯的突變產生，橫向柔度高于縱向柔度。前2種試件的極限載荷較大主要是由于夾層板夾芯垂直于載荷施加方向，夾芯和上下面板同時承受載荷，其抗彎強度較大；而后2種試件夾芯平行于載荷施加方向，在夾層板彎曲時主要是上下面板承受載荷，所以抗彎強度明顯降低，后2種試件的極限強度約為前2種試件的1/6左右。

2 有限元數值仿真分析及對比

2.1 夾層板有限元模型

圖5為4種試件的截面尺寸，其中損傷變形面的尺寸通過測距儀進行精確測量，以確保有限元模型能夠與實際夾層板結構的尺寸相等。本文數值仿真僅選取2個支撐圓輥之間的試驗段作為研究對象，忽略其余部分的影響。4種試件的橫向寬度如圖5所示，試件1、試件2的縱向長度為0.46 m，試件3、試件4的縱向長度為 0.23 m，板厚均為 3.7 mm。材料密度7 850 kg/m3，屈服應力為MPa，彈性模量為GPa，泊松比為，等效塑性應變取0.3。

利用有限元軟件Abaqus進行數值仿真分析，根據測量尺寸建立有限元模型，如圖6所示。夾層板采用殼單元（S4R）建模，網格尺寸為1 cm，試件1、試件2右端面約束位移U1=U2=U3=0，左端面約束位移U1=U2=0；試件3、試件4左端約束位移U1=U2=U3=0，右端面約束位移U2=U3=0。

4個試件載荷施加耦合點的設置如圖6所示，根據試驗中圓輥與夾層板的接觸面積，在夾層板中間板格上選取10 mm的板條作為加載區域設置耦合點，加載速度與試驗相同。

2.2 仿真結果對比分析

利用有限元軟件Abaqus計算得到如圖7所示的結構損傷變形圖，從圖中可以看出，有限元所得變形模式與試驗十分接近，本文數值仿真技術很好地模擬了在三點彎曲載荷作用下夾層板的損傷變形情況。

圖8為仿真和試驗所得載荷-位移曲線的對比圖。由圖可知：4種工況的載荷-位移曲線趨勢基本一致，在初始階段載荷均隨著位移的增加迅速上升，在到達峰值后逐漸下降。對于前2種工況，在載荷施加的初始階段，仿真值高于試驗值，但2條曲線的峰值基本一致。隨著位移的增大，試驗值下降的趨勢比仿真值要快，后續仿真值始終高于試驗值。工況1所得仿真值的極限承載力為284.2 kN，略低于試驗值，兩者誤差為3.37%；兩者到達極限承載力的位移值吻合較好。工況2仿真值的極限承載力為314.1 kN，略高于試驗值，誤差為4.39%；仿真值到達極限承載力的位移滯后于試驗值，但相差不大。這2種工況產生誤差的主要原因是由于在爆炸載荷作用后，夾層板的夾芯產生了微小的橫向彎曲；而在有限元模擬中，假設夾芯沒有產生變形，導致有限元值略大于試驗值。

對于工況3和工況4，試驗值始終大于有限元值，與前2種工況相比誤差也明顯變大，工況3所得極限承載力為42.9 kN，與試驗誤差為11.18%；工況4所得極限承載力為41.9 kN，與試驗誤差為9.11%。誤差產生的原因，一方面是由于有限元模擬中只對重點考察的試驗段進行數值仿真，使得有限元邊界條件很難與試驗條件完全相同。另一方面，在該種工況下，面板為主要的受力構件，爆炸載荷使得面板存在殘余應力，與有限元相比存在一定的強化作用，彈性變形減少，這在有限元模型中并未考慮，導致兩者誤差相對較大，這也從側面說明了爆炸載荷下結構的殘余應力對結構極限強度影響較大。

通過對比分析，總體來說有限元仿真結果與試驗結果基本吻合，驗證了本文采用的有限元仿真分析技術合理、有效，能夠準確計算夾層板的極限承載力。采用有限元數值仿真分析方法能直觀地反映夾層板力學性能，省去試件加工、制造成本及實施試驗等復雜過程，有效縮短研究周期，降低研究成本。

3 結 語

利用試驗研究了爆炸損傷后U型夾層板在彎曲載荷下的剩余強度，并利用有限元軟件Abaqus進行數值模擬。主要結論如下：

1）極限強度試驗研究表明爆炸損傷夾層板縱向極限承載力明顯高于橫向極限承載力；夾層板橫向承載力的載荷-位移曲線在峰值處較為平坦，相比之下縱向極限承載力載荷-位移曲線存在明顯的峰值，夾層板縱向強度在失穩前后存在明顯的臨界點。

2）除上面板的損傷變形外，爆炸沖擊后夾芯結構的微小變形和上下面板的殘余應力也會對結構的極限承載力產生一定的影響。

3）采用合理的數值仿真分析技術能夠較為準確的評估夾層板的力學性能，有效降低研究周期和研究成本，為分析爆炸損傷后的艦船結構強度提供技術支撐。