金屬夾層結(jié)構(gòu)的艦船應(yīng)用研究綜述

陳楊科，何書韜，劉均，操戈，王虎，羅剛，徐峰

1 海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北武漢 430064

2 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

3 華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430074

0 引 言

水面艦船的船體結(jié)構(gòu)重量占用了艦船總體非常大的重量和空間資源，而根據(jù)艦船作戰(zhàn)使命任務(wù)和使用要求，對其搭載更多武備及其他戰(zhàn)略物資的需求越來越強(qiáng)烈。另一方面，隨著反艦武器的不斷發(fā)展，其對水面艦船的威脅和破壞力越來越大，由此，對水面艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能也提出了更高的要求。除此之外，未來的水面艦船在高穩(wěn)定性的大跨度箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也具有強(qiáng)烈的需求。尤其是對未來航母來說，隨著其艦載機(jī)搭載數(shù)量的增加，機(jī)庫尺寸也將大幅增加；同時，如果采用核動力裝置，則其核動力艙對空間的需求也將比常規(guī)航母動力艙的大，并且對船體結(jié)構(gòu)也將有更高的局部載荷要求。對于上述問題，通過傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計或優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計來解決已顯得力不從心。因此，如何選用新的結(jié)構(gòu)型式、新的結(jié)構(gòu)材料，以使整個船體結(jié)構(gòu)在保持應(yīng)有性能的同時大幅降低重量，并盡量提高防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，是未來水面艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)需迫切解決的問題之一，對艦船總體設(shè)計而言具有非常重要的現(xiàn)實意義。

金屬夾層結(jié)構(gòu)是一類由金屬上、下面板以及諸如波紋型、蜂窩型、桁架型等金屬夾芯，通過激光焊接技術(shù)連接成一個整體的夾層結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的加筋板結(jié)構(gòu)相比，其具有高比剛度和高比強(qiáng)度的特點，在疲勞、耐撞擊、抗爆炸沖擊、減振降噪以及防火、隔熱等方面也具有優(yōu)良的性能。因此，針對金屬夾層結(jié)構(gòu)，歐美等國已經(jīng)在其性能、設(shè)計、制造等方面開展了大量研究工作，且部分研究成果已在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)在這方面的研究工作目前還未形成體系，在理論計算、試驗研究和工程應(yīng)用上都還存在一定的差距。金屬夾層結(jié)構(gòu)作為一種未來工程應(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)，在艦船領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)迫切需要系統(tǒng)地開展相關(guān)研究論證工作。本文的主要目的是對金屬夾層結(jié)構(gòu)在艦船上的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，從而正確把握今后研究工作的重點。

1 金屬夾層結(jié)構(gòu)的基本類型

按照夾芯型式的不同，金屬夾層結(jié)構(gòu)大致可以分為3大類：波紋型、蜂窩型和桁架型。

波紋型夾芯只在某一方向上進(jìn)行有規(guī)律的排列，常見的波紋型夾芯如圖1所示［1］。其中，I型和V型在國外艦船上有著較為廣泛的應(yīng)用。

圖1 典型波紋型金屬夾層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schema of typical one-directionally stiffened metal sandwich panel

蜂窩型夾芯一般作二維排列，常見的蜂窩型夾芯如圖2所示［2］。蜂窩型夾芯已被廣泛用于航空、航天領(lǐng)域，如美國的“全球鷹”飛機(jī)就采用了Kagome蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，而美國水面艦船使用的最先進(jìn)的水密門上采用的則是方形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)［3］。

圖2 典型蜂窩夾芯型式Fig.2 The schema of typical honeycomb-core metal sandwich panel

桁架型夾芯則采取三維布置，常見的桁架型夾芯如圖3所示［4］。與波紋型和蜂窩型夾芯相比，這種夾芯結(jié)構(gòu)重量更輕，更加節(jié)約原材料。

圖3 典型桁架型金屬夾層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schema of typical trussed-core metal sandwich panel

2 金屬夾層結(jié)構(gòu)在艦船上的應(yīng)用

基于其優(yōu)良的綜合性能，金屬夾層結(jié)構(gòu)被廣泛用于航空、航天等領(lǐng)域，而在艦船上的應(yīng)用則始于最近二、三十年。這種新型結(jié)構(gòu)多被應(yīng)用于軍事裝備，故相關(guān)資料的收集比較困難，只能從少量的文獻(xiàn)以及網(wǎng)絡(luò)資料中得窺一斑。

從20世紀(jì)80年代開始，美國海軍和工業(yè)部門就一直在研究和試驗新穎的輕型艦船結(jié)構(gòu)，其目的是尋找一種新的結(jié)構(gòu)以代替目前艦船上常規(guī)使用的加筋板結(jié)構(gòu)。美國海軍制造維修技術(shù)研究所（iMAST）和海軍水面作戰(zhàn)中心Carderock分部（NSWCCD）以及美國賓夕法尼亞大學(xué)等的研究人員，從1987年就在進(jìn)行金屬夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于艦艇的研究，開發(fā)出了一種可替代傳統(tǒng)加筋板的輕型結(jié)構(gòu)，稱為LASCOR（laser beam welded lightweight corrugated core sandwich panel），即激光焊接輕質(zhì)波紋夾芯板（圖4）。LASCOR在設(shè)計上提供了很大的靈活性，因為芯材幾何尺寸和材料厚度等均可按需配置。它可以采用許多可焊金屬，如不銹鋼、高強(qiáng)度鋼、鋁和鈦等材料進(jìn)行制造。其對LASCOR用于艦船的相關(guān)性能進(jìn)行了研究，包括小比例模型試驗，防火、噪聲及腐蝕試驗，抗彎強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗，以及實船應(yīng)用試驗等。

圖4 LASCOR板Fig.4 The LASCOR panel

1994年，美國海軍首次在軍艦LCC-20號的2個天線平臺（圖5）上應(yīng)用了LASCOR，面積達(dá)195 m2，和傳統(tǒng)加筋板結(jié)構(gòu)相比減輕了9 t的重量，大幅改善了艦船的機(jī)動性和穩(wěn)定性［5］。自此以后，美國海軍又先后成功地將LASCOR應(yīng)用到了DD-981，CV-41，LCC-19以及 DDG-51等各型軍艦的船體結(jié)構(gòu)上。但由于制造工藝的約束，LASCOR在這些艦船上的應(yīng)用部位比較有限，主要為居住區(qū)的隔板和甲板、艙壁、甲板邊緣升降機(jī)門和機(jī)庫門［6］。最近，由于CVN-21的設(shè)計自重和重心位置預(yù)測值均超過了所規(guī)定的目標(biāo)值，為提高艦船穩(wěn)性，保證其作戰(zhàn)功能的實現(xiàn)，成立了由未來航空母艦項目辦公室（PMS387）領(lǐng)導(dǎo)的LASCOR技術(shù)項目組，以評定LASCOR技術(shù)的生命力及其在CVN-21關(guān)鍵部位上應(yīng)用的可能性。該項目組的成員有NCEMT，iMAST，海軍連接中心（NJC）和美國海軍海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA），以及NSWCCD，NGNNS船廠及應(yīng)用熱科學(xué)研究所［7］。項目組認(rèn)為，如果要將LASCOR用于關(guān)鍵部位，就必須研究新的制造方法。目前，對于在關(guān)鍵部位采用LASCOR板列所需的設(shè)計要求和制造經(jīng)驗仍然很缺乏，此外，LASCOR板與常規(guī)船舶結(jié)構(gòu)的連接方法、解決LASCOR板性能方向性問題的方法以及LASCOR板維修技術(shù)等方面的問題還未解決。該項目組已在開展LASCOR耐久性以及LASCOR技術(shù)在船廠應(yīng)用的演示試驗研究工作，正在解決接頭連接、螺栓應(yīng)用及可維修性等問題，并在開展應(yīng)用開發(fā)和演示工作。如果確認(rèn)了LASCOR技術(shù)是一種可行的解決方案，則可使航空母艦的自重減輕15%～40%。例如，如果將LASCOR技術(shù)用于航空母艦的甲板構(gòu)件，則與常規(guī)加筋板相比，可在滿足或超過原有載荷要求的情況下，減輕20%的自重。相關(guān)的技術(shù)轉(zhuǎn)化始于2007年，目前，已針對DDG-1000驅(qū)逐艦購買了用于頂邊護(hù)道的雙重金屬夾芯板和人身安全屏障面板（圖6），每艘艦艇配備84套面板。此外，如圖7所示，在新型的瀕海戰(zhàn)斗艦上也已采用了相關(guān)的研究成果［8］。

圖5 LASCOR板在LCC-20的天線平臺上的應(yīng)用［5］Fig.5 The application of LASCOR panels on the aerial platform of LCC-20［5］

圖6 LASCOR板在DDG-1000上的應(yīng)用Fig.6 The application of LASCOR panels in DDG-1000

圖7 LASCOR板在新型瀕海戰(zhàn)斗艦上的應(yīng)用Fig.7 The application of LASCOR panels in the new-style littoral combat ship

緊隨美國之后，歐洲的一些國家也開展了金屬夾層結(jié)構(gòu)在艦船上應(yīng)用的相關(guān)研究。在研究對象上，與美國不同的是，歐洲主要關(guān)注于一種I型金屬夾層結(jié)構(gòu)，其中具代表性的是英國、芬蘭和德國。英國曼徹斯特大學(xué)土木工程學(xué)院研究了采用點焊連接的艦用金屬夾層結(jié)構(gòu)。芬蘭的赫爾辛基技術(shù)大學(xué)的船舶實驗室在1988年就曾開展過將金屬夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于破冰船的研究，隨后在一系列的科研項目中又先后進(jìn)行了艦用金屬夾層結(jié)構(gòu)的制造、設(shè)計和優(yōu)化等相關(guān)研究。德國的Meyer Wertft船廠在1994年即開始嘗試使用激光樁焊（Staking Welding）的工藝方法，生產(chǎn)制造用扁鋼作腹板的夾芯板，同時還對激光焊接金屬夾層結(jié)構(gòu)的性能及其制造性進(jìn)行了理論和試驗研究。其研究和實踐表明，這種以激光焊接為基礎(chǔ)的制造技術(shù)，能夠顯著提高生產(chǎn)率并降低能耗。

在看到金屬夾層結(jié)構(gòu)廣泛的應(yīng)用前景后，自2000年開始，由德國、芬蘭、英國、荷蘭、意大利、波蘭、瑞典和挪威等8個國家的12個成員單位組成的聯(lián)合項目組開展了大型歐洲研究項目SANDWICH。該項目利用參加單位的技術(shù)特長，分工協(xié)作，將激光焊接、鋼結(jié)構(gòu)與低密度泡沫芯層板技術(shù)相結(jié)合，提供艦船主要承載結(jié)構(gòu)和陸地運(yùn)輸車輛使用的獨(dú)特鋼—復(fù)合材料輕質(zhì)夾層板（圖8）。研究表明，應(yīng)用I型夾層結(jié)構(gòu)可以使船體結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量下降20%～50%，制造成本降低約20%～50%［9］。

圖8 I型金屬夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用示意圖Fig.8 The application of I-core metal sandwich panels in shipbuilding

針對艦船的金屬夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計，歐美等國已編制了相關(guān)的指導(dǎo)性文件。文獻(xiàn)［10］針對鋁制I型和波紋型夾層板的設(shè)計給出了相應(yīng)的規(guī)范，其中包括鋁制夾層板剖面模數(shù)、慣性矩、芯層剪切強(qiáng)度以及板厚計算方法等。文獻(xiàn)［11］則從夾層結(jié)構(gòu)的概念、設(shè)計、制造、連接以及裝配等方面，對其進(jìn)行了全面論述，具體包括夾層結(jié)構(gòu)的分類、性能、工程應(yīng)用的利弊以及夾層結(jié)構(gòu)彈性響應(yīng)、極限承載、屈曲等靜力分析，同時，還對夾層結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)、疲勞、振動分析以及相應(yīng)的制造工藝進(jìn)行了闡述。

3 金屬夾層結(jié)構(gòu)抗爆抗沖擊性能分析的研究概況

要使金屬夾層結(jié)構(gòu)能安全、有效地應(yīng)用于艦船，需根據(jù)艦船的使用環(huán)境對其進(jìn)行必要的力學(xué)性能分析。就目前查閱的相關(guān)文獻(xiàn)資料來看，普遍關(guān)注的性能包括：結(jié)構(gòu)的彎扭強(qiáng)度、剪切、屈曲、沖擊和爆炸、應(yīng)力集中和疲勞、振動和聲傳播等，此外，針對焊縫強(qiáng)度也有不少研究?？紤]到水面艦船的特殊需求，主要關(guān)注了有關(guān)金屬夾層結(jié)構(gòu)抗爆抗沖擊性能的相關(guān)文獻(xiàn)。

對水面艦船而言，船體結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能是評定其作戰(zhàn)能力和生命力的重要指標(biāo)。通過傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計或優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計已不能顯著提高結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，將力學(xué)性能優(yōu)良的新型抗沖擊結(jié)構(gòu)引入實際艦船結(jié)構(gòu)中，是目前艦船研究的熱點及重點之一。王自力和張延昌等［12-16］在這方面開展了大量研究工作。2007年以來，他們采用動態(tài)非線性仿真軟件MSC.Dytran對各種夾芯型式夾層板的耐碰撞性能及抗爆炸沖擊性能進(jìn)行了計算，并發(fā)表了相關(guān)研究成果。他們將六邊形蜂窩式及折板式夾層板應(yīng)用于單殼船體結(jié)構(gòu)的耐撞性設(shè)計，并研究了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸對耐碰撞性能的影響，數(shù)值仿真結(jié)果表明，夾層結(jié)構(gòu)在碰撞載荷作用下具有良好的吸能性能，可以作為高效的吸能單元用于耐撞結(jié)構(gòu)，夾層板舷側(cè)結(jié)構(gòu)可顯著提高舷側(cè)結(jié)構(gòu)的抗撞能力。同時他們還指出，對于六邊形蜂窩式夾層板，芯層密度是影響結(jié)構(gòu)耐撞性能的關(guān)鍵因素，而夾芯層高度對結(jié)構(gòu)的耐撞性影響不大，隨著夾芯層高度的增加，結(jié)構(gòu)吸能增加。另一方面，他們還以某型船為研究對象，將四邊形蜂窩式、折板式以及Y型夾層板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于艦船底部及舷側(cè)的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，對比分析了夾層板在沖擊波載荷作用下的防護(hù)性能，仿真分析不同沖擊因子下結(jié)構(gòu)變形、速度、加速度和吸能等重要力學(xué)性能。其研究表明：夾層板是一種優(yōu)良的防護(hù)結(jié)構(gòu)，吸能效率較高，還可減小沖擊波壓力及沖量的吸收與傳遞，對減小艦船其它部位結(jié)構(gòu)的損傷防護(hù)能起到重要作用，夾芯層對夾層板在水下沖擊波作用的結(jié)構(gòu)防護(hù)中起關(guān)鍵作用［17-20］。此外，他們還初步提出了抵抗水下沖擊波載荷的綜合防護(hù)指標(biāo)，并將正交試驗設(shè)計應(yīng)用到了夾層板的優(yōu)化問題中［21］。

程遠(yuǎn)勝和劉均等［22-23］針對方形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，基于能量守恒和剛塑性材料模型，對其在沖擊載荷作用下的塑性動力響應(yīng)進(jìn)行了理論分析。他們推導(dǎo)出了四邊固支的方形蜂窩夾層板在沖擊載荷作用下最終殘余變形的近似計算公式，并與利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA仿真的分析結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的比較。其研究結(jié)果表明，該計算公式具有一定的合理性，雖然在結(jié)構(gòu)大變形時誤差較明顯，但由于其簡單、直接、計算量小，對方形蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化還是具有較好的參考價值。隨后，他們從提高抗沖擊性能角度出發(fā)，提出了一種新型矩形蜂窩耐壓復(fù)合加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)形式，并對其抗沖擊特性進(jìn)行了分析［24］。另外，鄧?yán)诤屯醢卜€(wěn)［25］利用有限元軟件ABAQUS也開展了類似的研究。針對六棱柱蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，于輝和姚熊亮等［26］也提出其抗沖擊性能要優(yōu)于普通船體板架。趙桂平和盧天?。?7］的研究表明，波紋型夾層結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的能量吸收能力要優(yōu)于方形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和泡沫鋁合金夾層結(jié)構(gòu)。

總的說來，由于其特有的結(jié)構(gòu)形式，夾層板能承受比實體板更強(qiáng)的沖擊，具有優(yōu)越的吸能效果；由于夾芯層的屈曲變形及能量吸收，夾層板較實體板更能起到保護(hù)主結(jié)構(gòu)、降低結(jié)構(gòu)整體變形的作用，將其應(yīng)用于防護(hù)結(jié)構(gòu)，有很好的應(yīng)用前景。但是對于美國大量應(yīng)用于水面艦艇的波紋夾芯板，國內(nèi)的相關(guān)研究則顯得較少。

4 目前存在的技術(shù)難點

對艦船而言，金屬夾層結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)其優(yōu)點顯而易見，但要實現(xiàn)其在艦船上的應(yīng)用，還存在許多技術(shù)難點，其中較重要的是，要解決金屬夾層結(jié)構(gòu)的大規(guī)模生產(chǎn)制造問題和其與常規(guī)船體結(jié)構(gòu)的連接問題。

4.1 制造問題

金屬夾層結(jié)構(gòu)在艦船上的應(yīng)用是和激光焊接技術(shù)相關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的，因為制造的可行性和優(yōu)越性是結(jié)構(gòu)新形式產(chǎn)生和存在的重要基礎(chǔ)。激光焊接是利用高能量的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，具有穿透性好、熔深大的特點。激光焊接時，激光束穿過面板，熔化緊貼于面板下方的腹板，從而完成兩部分的連接，這種方法非常適合金屬夾層結(jié)構(gòu)。

用激光焊接這類結(jié)構(gòu)并不是生產(chǎn)中的主要困難，金屬夾層結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中最困難的是芯材制造和激光焊接時被焊構(gòu)件精確定位的問題。其原因是聚集激光光束的焦斑非常小，所產(chǎn)生的焊縫非常窄。在焊接中，通?？山邮艿暮附娱g隙大約為材料厚度的10%。為了制造優(yōu)質(zhì)的金屬夾層結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)保證芯材尺寸的精確，其次應(yīng)保證焊接時芯材與面板之間良好的接觸。通過機(jī)加工和良好的裝夾固定設(shè)備，小部件的對接精度是能夠達(dá)到的，但用在船身焊接和連接上則可能是難以實現(xiàn)并確保焊接質(zhì)量的，因為焊接部件長度經(jīng)常達(dá)幾十米。因此，良好的夾具設(shè)計及與之配合的激光焊接工藝是金屬夾層結(jié)構(gòu)大規(guī)模生產(chǎn)制造的難點所在。圖9所示為美國承擔(dān)海軍艦艇制造的弗克特里船廠在進(jìn)行LASCOR生產(chǎn)制造時的夾具設(shè)計示意圖，其兩端的剛性夾具將減小結(jié)構(gòu)在焊接時的變形，當(dāng)完成一面焊接時，可通過夾具的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)另外一面的自動焊接［6］。2001年，德國瑪雅船廠率先將激光電弧復(fù)合焊技術(shù)用到了船用金屬夾層大結(jié)構(gòu)之間的對接焊接中（圖10）［28］。由于激光電弧復(fù)合焊具有較強(qiáng)的橋聯(lián)能力，降低了對接頭準(zhǔn)備的要求，由此降低了生產(chǎn)成本。另外，激光電弧復(fù)合焊技術(shù)的使用也提高了焊接接頭的性能，保證了焊縫質(zhì)量。目前，國內(nèi)各大船廠尚無可實現(xiàn)金屬夾層結(jié)構(gòu)大型生產(chǎn)所需的配套夾具以及相應(yīng)的自動化裝置。

圖9 激光焊接夾具設(shè)計示意圖［6］Fig.9 The schema of fixture device for laser welding［6］

圖10 瑪雅船廠采用激光進(jìn)行對接焊接［28］Fig.10 The laser welding process in Meyer Wertft［28］

4.2 連接問題

由于船臺組裝工作受激光焊接設(shè)備尺寸和激光焊接加工方法的制約，金屬夾層結(jié)構(gòu)存在著連接的問題。連接形式的選取是金屬夾層結(jié)構(gòu)在船舶制造中應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一，不僅對船體結(jié)構(gòu)的組裝工時和船舶制造的生產(chǎn)周期有一定影響，而且也在一定程度上影響了船體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。連接結(jié)構(gòu)不僅需要形式相對簡單，具有可施工性，而且還要滿足強(qiáng)度和剛度的要求。更重要的是，由于船舶的載荷特點，對連接結(jié)構(gòu)而言，其疲勞問題也不容忽視。關(guān)于連接問題的相關(guān)文獻(xiàn)較少，大部分文獻(xiàn)只涉及到連接形式的概念介紹，只有少數(shù)文獻(xiàn)研究了連接形式的分析方法，且未成體系，國內(nèi)的相關(guān)研究則更少。

Kujala等［1］認(rèn)為連接形式是目前金屬夾層結(jié)構(gòu)在船舶制造中大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸技術(shù)之一。他們給出了金屬夾層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)之間，以及金屬夾層結(jié)構(gòu)之間的幾種典型連接結(jié)構(gòu)的形式和設(shè)計要點，如圖11所示。同時，他們還提出了連接結(jié)構(gòu)疲勞性能分析方法，包括焊接局部細(xì)節(jié)的建模方法和焊接局部應(yīng)力集中系數(shù)的計算方法。Anand等［29］對I型金屬夾層結(jié)構(gòu)與常規(guī)船體結(jié)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞性能的試驗測試，分析了連接結(jié)構(gòu)的裂紋滋生模式，提出了研究其疲勞性能的方法和步驟，并基于實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，提供了多組設(shè)計曲線。Pyszko［30］建立了一種典型連接結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，考慮到材料的應(yīng)變剛化，分析了其在拉彎組合載荷作用下，極限承載能力隨主要設(shè)計參數(shù)的變化規(guī)律，并得出最優(yōu)設(shè)計方案。Metschkow［31］則指出對于單向加筋的金屬夾層結(jié)構(gòu)，垂直于加筋方向的連接比平行于加筋方向的連接更重要，因為垂直連接時，只能通過相對較薄的面板傳遞載荷。國內(nèi)王虎等［32］研究了I型金屬夾層結(jié)構(gòu)之間平面連接結(jié)構(gòu)在面外載荷作用下的連接強(qiáng)度，為降低有限元計算規(guī)模，采用了子模型和殼體連接的分析技術(shù)，并研究了設(shè)計參數(shù)對連接性能的影響，提出了優(yōu)化設(shè)計方案。

圖11 幾種典型的連接結(jié)構(gòu)形式［1］Fig.11 Several typical kinds of connection between metal sandwich panels［1］

5 結(jié) 語

盡管國內(nèi)的學(xué)者和工程師們在金屬夾層結(jié)構(gòu)的研究上取得了一定成果，但在水面艦船的應(yīng)用方面，依然存在著許多充滿挑戰(zhàn)的研究課題，認(rèn)為以下幾個方面的問題應(yīng)當(dāng)引起重視：

1）應(yīng)立足于艦船船體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點，系統(tǒng)地開展金屬夾層結(jié)構(gòu)的相關(guān)基礎(chǔ)研究，包括適用于艦船設(shè)計的金屬夾層結(jié)構(gòu)的基本類型、相應(yīng)的理論及數(shù)值仿真。

2）金屬夾層結(jié)構(gòu)的制造問題是其大規(guī)模實船應(yīng)用的關(guān)鍵問題，應(yīng)由艦船設(shè)計部門和材料制造部門共同開展相關(guān)制造工藝的研究。

3）亟需盡快、系統(tǒng)地開展關(guān)于波紋夾芯板的相關(guān)研究。從美國在波紋夾芯板上開展的大量研究以及其在多型水面艦船上的成功應(yīng)用來看，這種結(jié)構(gòu)在水面艦船上有著很好的應(yīng)用前景，然而國內(nèi)對于這型夾層結(jié)構(gòu)的研究卻較為稀少，且不成體系。

4）在相關(guān)基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)由艦船總體設(shè)計部門和高校開展針對艦船應(yīng)用的設(shè)計技術(shù)研究，形成設(shè)計準(zhǔn)則，指導(dǎo)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5）作為一種新型結(jié)構(gòu)，若要實現(xiàn)金屬夾層結(jié)構(gòu)在艦船上的應(yīng)用，必須開展大量的試驗研究，掌握試驗數(shù)據(jù)，降低設(shè)計風(fēng)險。

由此可見，在此領(lǐng)域內(nèi)，無論是在理論模型、數(shù)值方法、實驗研究、設(shè)計技術(shù)，還是在制造工藝等各方面，都還有許多問題有待解決和進(jìn)一步的研究。

［1］KUJALA P，KLANAC A.Steel sandwich panels in marine applications［J］.Brodogradnja，2005，56（4）：305-314.

［2］WANG A J，MCDOWELL D L.In-plane stiffness and yield strength of periodic metal honeycombs［J］.Journal of Engineering Materials and Technology，2004，126（2）：137-156.

［3］STEPHEN C.Light weight，low total ownership cost are benefits of new surface ship watertight door［J］.iMAST Quarterly，2006（3）：3-6.

［4］LIU T，DENG Z C，LU T J.Design optimization of truss-cored sandwiches with homogenization［J］.International Journal of Solids and Structures，2006，43（25）：7891-7918.

［5］REUTZEL E W，KOUDELA K L.Lightweight laser-welded stiffened structures （LASCOR） ［J］.iMAST Quarterly，2001（1）：3-6.

［6］LI Z，GOBBI S L.Laser welding for lightweight structures［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，70（1）：137-144.

［7］NCEMT.Advanced metalworking solutions for naval systems that go in harm's way［R/OL］.NCEMT，2005 Annual Report，2005［2013-05-26］.http：//www.ntis.gov/search/product.aspx？ABBR=ADA570347.

［8］LAMB G R.High-speed，small naval vessel technology development plan［R］.Naval Surface Warfare Center Carderock Division，2003.

［9］Guidelines for the application steel sandwich panel construction to ship structure［M/OL］.Beijing：China Classification Society，2007［2013-04-15］.http：//www.ccs.org.cn/en/Rules%20and%20Research/YLB/GUIDELINES-No.17%20GUIDELINES%20FOR%20THE% 20APPLICATION% 20OF% 20STEEL%20SANDWICH%20PANEL%20CONSTRUCTION%20TO%20SHIP%20STRUCTURE，%20.pdf.

［10］Guide for building and classing high-speed navel craft［M/OL］.New York：American Bureau of Shipping，2007［2013-04-15］.http：//zh.scribd.com/doc/49794445/Guide-for-Building-and-Classing-High-Speed-Craft.

［11］KARISSON K F，TOMAS ? B.Manufacturing and applications of structural sandwich components［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，1997，28（2）：97-111.

［12］張延昌，王自力.蜂窩式夾層板耐撞性能研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，21（3）：1-5.ZHANG Yanchang，WANG Zili.Study on crashworthiness of honeycomb sandwich panel under lateral dynamic load［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology：NaturalScience Edition，2007，21（3）：1-5.

［13］楊永祥，張延昌.蜂窩式夾芯層結(jié)構(gòu)橫向耐撞性能數(shù)值仿真研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，21（4）：7-11.YANG Yongxiang，ZHANG Yanchang.Numerical simulation of honeycomb core structure under lateral impact load［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology：NaturalScience Edition，2007，21（4）：7-11.

［14］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，2008，49（1）：60-65.WANG Zili，ZHANG Yanchang.Single hull ship structure crashworthy design based on sandwich panel［J］.Shipbuilding of China，2008，49（1）：60-65.

［15］張延昌，王自力，張世聯(lián)，等.基于折疊式夾層板船體結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計［J］.船舶工程，2009，31（6）：1-5.ZHANG Yanchang，WANG Zili，ZHANG Shilian，et al.Hull structural crashworthy design based on folding sandwich panel［J］.Ship Engineering，2009，31（6）：1-5.

［16］張延昌，王自力，張世聯(lián).折疊式夾芯層結(jié)構(gòu)耐撞性能研究［J］.船舶力學(xué)，2010，14（1/2）：114-120.ZHANG Yanchang，WANG Zili，ZHANG Shilian.Simulation analysis of folded core structure under dynamic load［J］.Journal of Ship Mechanics，2010，14（1/2）：114-120.

［17］張延昌，顧金蘭，王自力.蜂窩式夾層板結(jié)構(gòu)單元的防護(hù)性能分析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（6）：108-113.ZHANG Yanchang，GU Jinlan，WANG Zili.Research on the anti-shock capacity of square honeycomb sandwich plane［J］.Ship Science and Technology，2008，30（6）：108-113.

［18］張延昌，王自力，顧金蘭，等.夾層板在艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［J］.中國造船，2009，50（4）：36-44.ZHANG Yanchang，WANG Zili，GU Jinlan，et al.Application of sandwich panel in anti-shock design of warship's side structure［J］.Shipbuilding of China，2009，50（4）：36-44.

［19］王自力，張延昌，顧金蘭.基于夾層板抗水下爆炸艦船底部結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32（1）：22-27.WANG Zili，ZHANG Yanchang，GU Jinlan.Anti-shock double bottom structure design of warship based on sandwich panel［J］.Ship Science and Technology，2010，32（1）：22-27.

［20］王果，張延昌.Y型激光焊接夾層板抗爆性能分析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34（9）：68-75.WANG Guo，ZHNAG Yanchang.Analysis of the anti-shock capacity oflaser-welded corrugated-Y type-core sandwich panels［J］.Ship Science and Technology，2012，34（9）：68-75.

［21］張延昌，顧金蘭，王自力，等.蜂窩夾層板結(jié)構(gòu)抗沖擊正交試驗優(yōu)化設(shè)計［J］.兵工學(xué)報，2010，31（增刊1）：279-283.ZHANG Yanchang，GU Jinlan，WANG Zili，et al.Optimal design of shock-resistant honeycomb sandwich panel by orthogonal test［J］.ACTA Armamentarii，2010，31（Supp 1）：279-283.

［22］劉均.方形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)振動與沖擊響應(yīng)分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009.

［23］梁軍，劉均，程遠(yuǎn)勝.沖擊載荷作用下方形蜂窩夾層板塑性動力響應(yīng)分析［J］.船舶力學(xué)，2010，14（10）：1165-1172.LIANG Jun，LIU Jun，CHENG Yuansheng.Dynamic plastic response of sandwich plates with square honeycomb cores subjected to shock loading［J］.Journal of Ship Mechanics，2010，14（10）：1165-1172.

［24］汪浩，程遠(yuǎn)勝，劉均，等.新型矩形蜂窩夾芯夾層加筋圓柱殼抗水下爆炸沖擊載荷分析［J］.振動與沖擊，2011，30（1）：162-166，226.WANG Hao，CHENG Yuansheng，LIU Jun，et al.Anti-shock analysis for new type rectangular honeycomb sandwich stiffened cylindrical shells subjected to underwater explosion shock load［J］.Journal of Vibration and Shock，2011，30（1）：162-166，226.

［25］鄧?yán)?，王安穩(wěn).方孔蜂窩夾層板在爆炸載荷下的動態(tài)響應(yīng)［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2011，23（5）：6-10.DENG Lei，WANG Anwen.Dynamic response of square honeycomb sandwich plates under blast loading［J］.Journal of Naval University of Engineering，2011，23（5）：6-10.

［26］于輝，白兆宏，姚熊亮.蜂窩夾層板的優(yōu)化設(shè)計分析［J］.中國艦船研究，2012，7（2）：60-64.YU Hui，BAI Zhaohong，YAO Xiongliang.The optimization design and analysis of honeycomb sandwich panel［J］.Chinese Journal of Ship Research，2012，7（2）：60-64.

［27］趙桂平，盧天健.多孔金屬夾層板在沖擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)［J］.力學(xué)學(xué)報，2008，40（2）：194-206.ZHAO Guiping，LU Tianjian.Dynamic response of cellular metallic sandwich plates under impact loading［J］.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2008，40（2）：194-206.

［28］MARTUKANITZ R.Laser processing for building and sustaining naval ships［J］.iMAST Newsletter，2010（1）：3-6.

［29］ANAND D，CHEN D L，BHOLE S D，et al.Fatigue behavior of tailor（laser）-welded blanks for automotive applications［J］.Materials Science and Engineering：A，2006，420（1）：199-207.

［30］PYSZKO R.Strength assessment of a version of joint of sandwich panels［J］.Polish Maritime Research，2006（Supp 1）：17-20.

［31］METSCHKOW B.Sandwich panels in shipbuilding［J］.Polish Maritime Research，2006（Supp 1）：5-8.

［32］王虎，程遠(yuǎn)勝，劉均.I型金屬夾層結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件強(qiáng)度數(shù)值計算方法［J］.中國艦船研究，2012，7（3）：51-56.WANG Hu，CHENG Yuansheng，LIU Jun.Strength analysis on model I-core steel sandwich panel joints［J］.Chinese Journal of Ship Research，2012，7（3）：51-56.