鋼－聚氨酯夾層結(jié)構(gòu)芯層參數(shù)的變化對碰撞性能的影響

伏耀華

(上海船舶運輸科學(xué)研究所，上海 200135)

0 引言

夾層結(jié)構(gòu)通常由2塊高強度面板和低密度材料的芯層膠接而成，如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、泡沫夾層結(jié)構(gòu)等。通過夾芯的作用，保證2層面板之間協(xié)調(diào)地工作。一般面板采用強度和剛度比較高的材料如鋁合金及合金鋼等，芯子支撐其間，使面板在承受應(yīng)力時能較好地保持彈性及穩(wěn)定性。

根據(jù)夾芯剛度強弱，夾層結(jié)構(gòu)可分為軟夾芯和硬夾芯兩類［1］。軟夾芯的剛度較小，尤其在平行面板平面內(nèi)剛性甚微，因而可以認(rèn)為夾芯只承受橫向剪切內(nèi)力，而平行面板的內(nèi)力與內(nèi)力矩由面板承受。本文所研究的夾層結(jié)構(gòu)為軟夾芯 (聚氨酯)夾層結(jié)構(gòu)。

本文研究鋼－聚氨酯夾層結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響，通過對變化夾層結(jié)構(gòu)夾芯層厚度的系列試件進行數(shù)值仿真計算分析，研究結(jié)構(gòu)碰撞力、能量吸收與比能等耐撞性參數(shù)與夾層結(jié)構(gòu)芯層尺寸參數(shù)之間的關(guān)系。

1 有限元模型

本文分析使用大型有限元軟件ANSYS/LSDYNA，基于經(jīng)典層和理論的建模法以二維殼單元(模型C)來仿真夾層結(jié)構(gòu)。

夾層結(jié)構(gòu)3種模型尺寸相同，長L和寬W均為3 m，厚度T為0.018 m，上下面板厚度tG為0.003 m。夾層結(jié)構(gòu)四邊固支，夾層結(jié)構(gòu)受到一撞擊體的正面垂直撞擊，將撞擊體設(shè)為剛體，剛性撞擊體的有限元模型幾何尺寸為一半圓球殼，球半徑R為0.15 m，距夾層結(jié)構(gòu)上面板表面中心0.02 m處以5 m/s初始速度沖擊夾層結(jié)構(gòu)。撞擊體和夾層結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

面板為船用低碳鋼，密度ρG=7850 kg/m3，彈性模量EG為206 GPa，泊松比νG為0.3。為了更真實地反映面板特性，本文將采用2種不同的材料模型:對于發(fā)生塑性變形的結(jié)構(gòu)單元采用各向同性和隨動硬化的塑性隨動模型。應(yīng)變率用Cowper-Symonds模型來考慮，屈服應(yīng)力由下式給出［2－3］:

圖1 撞擊體和夾層結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 The finite element model of impactor and the sandwich structure

式中:σ0為初始屈服應(yīng)力，取2.35×108 N/m2;E為彈性模量，取2.06×1011 N/m2;EP為塑性硬化模量，取1.18×109 N/m2;為應(yīng)變率;C和P為Cowper-Symonds應(yīng)變率參數(shù)，取C=40.4，P=5。

通過變化夾芯層厚度tX得到不同密度的夾層結(jié)構(gòu)，研究夾芯層密度對沖擊性能的影響。取夾芯層厚度tX為3 mm，6 mm，9 mm，12 mm，15 mm等5組試件，芯材為聚氨酯，密度ρX=1200 kg/m3，彈性模量EX=1419 MPa，泊松比νX=0.476。

2 數(shù)值仿真結(jié)果及比較分析

利用動態(tài)非線性有限元分析軟件ANSYS/LSDYNA對5個模型進行計算。表1為不同夾芯層厚度的夾層結(jié)構(gòu)試件吸能情況的匯總。圖2為5組夾層結(jié)構(gòu)各部分能量吸收隨夾芯層厚度變化關(guān)系曲線。由表1和圖2中數(shù)值可知:

1)夾芯層厚度對夾層結(jié)構(gòu)各部分的吸能都有一定的影響，隨著夾芯層厚度的增加，夾層結(jié)構(gòu)總吸能、夾層結(jié)構(gòu)面板、夾芯層吸能都呈上升趨勢，能量變化曲線隨著夾層結(jié)構(gòu)芯層厚度增加上升斜率逐漸變小。

2)夾芯層吸能均小于面板的吸能，結(jié)構(gòu)主要靠面板吸收能量。

3)夾芯層吸能占總吸能比例在其厚度為9 mm時最大，即夾芯層吸能在夾層結(jié)構(gòu)面板尺寸參數(shù)給定時，存在較優(yōu)的夾芯層尺寸參數(shù)使夾芯層結(jié)構(gòu)的吸能占總吸能比例達到最大值。

表1 不同芯層夾層結(jié)構(gòu)試件吸能計算結(jié)果Tab.1 The results of different core sandwich structure specimen absorption

圖2 能量吸收－夾芯層厚度關(guān)系曲線Fig.2 The curve of energy absorption and clip core thickness

圖3 比能－夾芯層厚度關(guān)系曲線Fig.3 The curve of specific energy－clip core thickness

圖3為夾層結(jié)構(gòu)及各層結(jié)構(gòu)比能隨夾芯層厚度變化曲線。從曲線可得:

1)夾芯層厚度的變化對夾層結(jié)構(gòu)比能和面板的比能影響較小，對夾芯層結(jié)構(gòu)比能影響較大。隨著夾芯層厚度的增加，夾層結(jié)構(gòu)夾芯層比能［4］呈下降趨勢。

2)夾層結(jié)構(gòu)總比能在夾芯層厚度為9 mm取得最大值，即夾層結(jié)構(gòu)總比能在夾層結(jié)構(gòu)面板尺寸參數(shù)給定時，存在較優(yōu)的夾芯層尺寸參數(shù)使夾芯層結(jié)構(gòu)的總比能達到最大值。

3)在夾芯層厚度小于9 mm時，夾芯層結(jié)構(gòu)比能大于夾層結(jié)構(gòu)面板的比能，因此合理布置夾芯層結(jié)構(gòu)重量在夾層結(jié)構(gòu)總重量中的比重有利于結(jié)構(gòu)吸能的提高，從經(jīng)濟角度考慮又有利于降低用鋼量節(jié)約成本。

表2列出了夾層結(jié)構(gòu)各層被撞擊體擊穿時刻和對應(yīng)碰撞力的數(shù)據(jù)。圖4反映了不同夾芯層厚度的夾層結(jié)構(gòu)試件所受碰撞力－時間歷程曲線。圖5為5組試件最大碰撞力、各層板破裂時刻夾層結(jié)構(gòu)所受碰撞力的對比曲線。

圖4 不同夾層結(jié)構(gòu)試件碰撞力－時間曲線Fig.4 The curve of different core sandwich structure specimen collision force-time

圖5 碰撞力－夾芯層厚度關(guān)系曲線Fig.5 The curve of collision force-clip core thickness

1)各夾層結(jié)構(gòu)碰撞力－時間歷程曲線的形狀相似，5條曲線在0.044 s前基本重合。每根曲線都存在明顯的非線性現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多次卸載現(xiàn)象。

2)隨著夾芯層厚度增加，碰撞力峰值、各層板破裂時刻碰撞力都呈上升趨勢。夾芯層厚度的變化對上面板和夾芯層破裂時刻的碰撞力值影響較大。

3)5個試件下面板幾乎都在0.044 s時發(fā)生破裂，上面板和夾芯層破裂時刻隨著夾芯層厚度增加而推遲。

表2 不同芯層夾層結(jié)構(gòu)試件碰撞力計算結(jié)果匯總Tab.2 The results of different core sandwich structure specimen collision force calculation

3 結(jié)語

本文通過對變化夾層結(jié)構(gòu)夾芯層厚度進行數(shù)值仿真計算分析，探討結(jié)構(gòu)碰撞力、能量吸收與比能等耐撞性參數(shù)與夾層結(jié)構(gòu)芯層尺寸參數(shù)之間的關(guān)系。夾層結(jié)構(gòu)的夾芯層厚度對結(jié)構(gòu)的耐撞性能有不同程度的影響，夾層結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化研究可以提高其耐撞性能。

1)增大夾芯層厚度能提高夾層結(jié)構(gòu)的吸能和比能，改善面板的吸能性，隨著其厚度的增加碰撞力增加幅度不大。

2)綜合考慮結(jié)構(gòu)吸能、重量和經(jīng)濟的因素，優(yōu)化夾層結(jié)構(gòu)聚氨酯芯層的尺寸參數(shù)是一種必要合理的措施，在本節(jié)撞擊條件下，可選取聚氨酯芯材9～12 mm。本文使用高密度的聚氨酯材料，其芯材密度、面板和芯層尺寸比例關(guān)系等結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對夾層結(jié)構(gòu)耐撞性能的影響有待進一步研究。

［1］王自力，張延昌.基于夾層板的單殼船體結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計［J］.中國造船，2008(1):61－65.

［2］ZHANG Sheng-ming.The mechanics of ship colisions，［Dissertation］，Denmark，Technical University of Denmark，1999.

［3］劉建成，顧永寧.船橋碰撞力學(xué)問題研究現(xiàn)狀及有限元仿真計算［C］.MSC.Software中國用戶論文集［A］，2001.

［4］CONSOLAZIO G R，COWNA D R.Nonlinear analysis of barge crush behavior and its relationship to impact resistant bridge design［J］.Computers and Structures，2003，81:547－557.