U型激光焊接夾層板極限強度試驗研究

胡 杰，劉 昆，杜訓柏，謝 榮

(1. 江蘇海事職業(yè)技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

U型激光焊接夾層板極限強度試驗研究

胡 杰1，劉 昆2，杜訓柏1，謝 榮1

(1. 江蘇海事職業(yè)技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

激光焊接夾層板因具有優(yōu)越的力學性能以及眾多結構優(yōu)點在艦船防護結構設計中具有廣闊的應用前景。本文以 U 型激光焊接夾層板為研究對象，設計其激光制造工藝流程，加工得到 U 型激光焊接夾層板試件；開展夾層板極限強度性能試驗，通過試驗得到了夾層板橫向、縱向彎曲時的極限承載力及相應的變形模式；采用ABAQUS 軟件模擬試驗工況，開展數(shù)值仿真研究，通過與試驗結果進行比較，驗證、完善有限元數(shù)值仿真分析技術，研究成果可為夾層板船體結構力學性能分析提供技術支撐。

U 型激光焊接夾層板；極限承載力；結構試驗；數(shù)值仿真

0 引 言

U 型激光焊接夾層板作為一種新型船用夾層板結構，具有重量輕、比強高、抗沖擊能力強等優(yōu)越的力學性能以及防火、減振、降噪等結構優(yōu)點。由于一直未能解決夾層板的制造粘結問題，曾一度被認為是無剛度的結構。隨著粘結技術及激光焊接技術的發(fā)展，夾層板結構的各種優(yōu)越性能得到體現(xiàn)。近幾十年中，夾層板的研究和應用得到了很大的發(fā)展，因其能夠有效的降低船舶重心、提高船舶穩(wěn)性、增大艙容，而在船舶建造中得到了越來越廣泛的應用[1–5]。夾層板除能滿足常規(guī)條件下艦船結構強度外，其擁有的優(yōu)良防護性能對于軍用艦船及特殊用途船舶而言有著廣闊的應用前景。

由于夾層板結構在壓潰、碰撞、沖擊波等動載荷作用下表現(xiàn)出了優(yōu)良的吸能特性，目前國內(nèi)外學者對于夾層板的研究成果集中在夾層板結構抗沖擊性能及基于夾層板結構的抗沖擊艦船結構設計上。張延昌[6–7]在對夾層板系列研究基礎上系統(tǒng)總結整理了國內(nèi)外夾層板研究現(xiàn)狀、研究方法，夾層板分類等，提出了多種新式折疊式夾層板型式，利用數(shù)值仿真、結構試驗等方法，分析了夾層板橫向壓皺載荷下的變形模式、吸能機制以及結構參數(shù)對吸能特性的影響，同時提出了一種適用于夾層板防護性能優(yōu)化設計的方法。S?eren、劉昆、王自力等[8–12]研究了夾層板的碰撞性能，研究表明夾層板是一種良好的耐撞結構，在碰撞載荷下具有良好的吸能特性。王自力、姚熊亮、張延昌[13–19]對夾層板艦船結構在爆炸載荷下的動響應進行了系統(tǒng)的研究，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爆性能。然而，夾層板結構應用到船體結構中還需要準確評估結構在各工作狀態(tài)下的極限強度問題，這對于確定結構設計準則及相關規(guī)范制定有重要意義。

本文以 U 型激光焊接夾層板為研究對象，設計其結構型式及尺寸，形成激光焊接夾層板制造工藝流程，按此工藝加工得到了夾層板結構試樣，并對其極限承載力開展試驗及數(shù)值仿真分析，研究其力學性能及數(shù)值仿真分析技術，為夾層板結構應用于船體結構提供技術支撐。

1 試驗方案設計

1.1 試件設計及加工

1）試件設計

試驗對象為 U 型激光焊接夾層板結構，其中夾層板縱向板條沿焊縫長度為 700 mm，沿夾芯布置方向寬度為 200 mm（2 個夾芯單元寬度），定義編號為 UL-L；橫向板條沿焊縫長度為 200 mm，沿夾芯布置方向寬度為 700 mm（7 個夾芯單元寬度），定義編號為 UL-W。結構剖面詳細尺寸如圖 1 所示。

圖 1 U 型激光焊接夾層板試件（單位 mm）Fig. 1 U-LASCOR specimens

2）試件制造

針對 U 型夾層板結構的特殊夾芯層型式，設計了詳細的加工方案。其中，試驗用夾層板試件材質選用船用低碳鋼，夾芯層結構單元通過軋制成型，上下面板與夾芯層結構采用激光焊接工藝進行連接，加工工藝如圖 2 所示。

具體流程如下：

1）通過線切割及軋制成型技術完成上、下面板下料和夾芯層單元的制造，如圖 2（a）和圖 2（b）所示。

2）將夾層板的下（上）面板定位并固定于激光焊接加工平臺，然后將夾芯單元裝配到下（上）面板上，并用夾具或者點焊等方式進行固定；然后采用激光穿透焊接技術將夾芯層單元與面板連接，如圖 2（c）所示。其中在夾芯單元對接處采用雙道焊縫進行焊接。焊接完成的夾層板如圖2（d）所示。

3）如圖 2（e）所示，將上（下）面板覆蓋到夾芯層半成品上方，裝配定位好之后采用激光穿透焊接最終完成整個夾層板的加工工藝，得到圖2（f）所示夾層板成品。

加工得到的試件及焊縫截面如圖 3～圖 5 所示。從試件外觀上可以看到夾層板平整，焊接工藝對結構變形影響很小；通過焊縫金相分析圖中可以看到結構粘結間隙較小，焊縫精度可靠。加工得到的激光焊接夾層板滿足設計要求。本文提出的夾層板制造工藝適用于激光焊接制造夾層板。

1.2 測試工況

夾層板三點彎曲極限強度試驗的加載及約束位置和受力簡圖如圖 6 所示。圖 6 （a），圖 6（b），圖 6（c）分別對應工況 1，工況 2，工況 3。其中工況 1，工況 2 中試件均為 UL-W，工況 1 加載及支撐位置均處于 U 型夾芯上端（即夾芯未與面板連接區(qū)域），而工況 2 加載及支撐位置均處于 U 型夾芯下端（即夾芯與面板連接區(qū)域）；工況 3 中試件為 UL-L。

試驗采用準靜態(tài)位移加載，加載速度為 2 mm/min；每次試驗開始前，預壓 0.2 kN 載荷后卸載；試驗過程中的載荷-位移曲線由計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集。

1.3 試驗實施

本試驗在 YNS1000 電液伺服萬能試驗機進行，該試驗機配套計算機及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過計算機對載荷、位移進行自動采集。試驗實施示意圖如圖 7 所示。試件放置在 2 個端面呈圓弧形的支座上，下方兩支座的檔距為 500 mm，試驗機通過壓桿上的圓輥對試件的試驗段進行位移的加載，加載位置為夾層板板條上面板中心位置，通過壓頭上的傳感器利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄位移-壓力曲線。

2 試驗結果分析

2.1 結構變形

夾層板失效后變形模式如圖 8 所示。其中圖8（a），圖8（b），圖8（c）分別對應 3 種工況下夾層板失效模式。

圖 2 激光焊接夾層板加工工藝Fig. 2 The processing technic of U-LASCOR

圖 3 夾層板試件Fig. 3 Core sandwich panels

圖 4 單道激光焊接接頭橫截面Fig. 4 The cross section of single-pass laser welding joints

圖 5 雙道激光焊接接頭橫截面Fig. 5 The cross section of double-pass laser welding joints

圖 6 三點彎曲受力簡圖（單位：mm）Fig. 6 The sketch of three points bending stress

觀察上圖各工況下夾層板的失效模式可以發(fā)現(xiàn)：

1）工況 1 下夾層板到達極限損傷后主要在上面板中心（加載）區(qū)域及其下方的 2 個夾芯單元發(fā)生變形，結構呈現(xiàn)對稱變形模式；

2）對于工況 2，夾層板到達極限狀態(tài)后主要在靠近加載區(qū)域左側的上面板部位發(fā)生明顯的結構變形，加載部位變形不明顯，主要是加載區(qū)域下方受夾芯結構的水平面板支撐，該區(qū)域相比失效部分強度較大；另外，試驗過程中，隨著試驗的繼續(xù)進行，靠近邊界位置處夾芯單元與上面板連接處焊縫斷裂，夾芯結構與上面板分離，主要是采用激光焊接的焊縫粘結尺寸較小，加載過程中結構變形不斷增大，焊縫處受到剪切后失效；可以認為，該種激光焊接夾層板焊縫位置抗水平剪切能力較弱，在夾層板變形中盡量減少夾層板較大變形，避免因焊縫區(qū)域受剪切失效導致結構整體失效；

3）工況 3 下限狀態(tài)后結構主要在加載部位失效，其中上面板和夾芯結構損傷變形明顯，上、下面板主要以彎曲變形為主，夾芯層受彎壓作用出現(xiàn)褶皺。

圖 8 夾層板變形模式Fig. 8 The deformation of core sandwich panels

2.2 載荷-位移曲線

圖 9 所示為試驗測得的載荷位移曲線。從圖中可看到，載荷位移曲線可以分為彈性、塑性、卸載 3 個階段：1）在彈性階段，隨著位移的逐漸增加，載荷成直線上升趨勢；2）結構進入塑性階段，隨著位移增加，載荷增加趨勢減緩；3）結構達到最大載荷后結構失效，隨著位移的增加，載荷出現(xiàn)卸載趨勢。

通過查閱曲線可知工況 1、工況 2、工況 3 下各試件所能承受的極限載荷分別為 2.8 kN，4.41 kN 和17.04 kN；相應時刻的位移分別為 20.7 mm，37.1 mm和 2.8 mm。

對比 3 種工況下結構的極限承載能力，在工況 3中夾層板的極限承載能力明顯高于其余 2 種工況，可以認為該種結構布置方式可以充分的發(fā)揮夾層板結構的承載性能；工況 1 中由于加載位置只有單一的一層面板，是 3 種工況中結果最弱的工況，視為 U 型夾層板在集中載荷作用下的最危險工況。3 種工況主要區(qū)別于夾芯結構的布置方向及承載位置的夾芯結構，通過對比可以認為 U 型激光焊接夾層板的夾芯結構起到重要的承載作用，結構布置過程中參與承力的夾芯數(shù)量越多，結構的承載能力越大。

圖 9 載荷-位移曲線Fig. 9 The load-displacement curves

3 數(shù)值仿真對比

文獻[20] 對夾層板力學性能數(shù)值仿真過程中是否考慮焊縫的影響進行了較為系統(tǒng)的研究，其結果表明考慮焊縫對數(shù)值仿真結果存在一定的影響，但相對較小?？紤]到實際對船體建模過程中完全考慮結構焊接影響進行數(shù)值建模工作量十分龐大，且工程上對船體結構數(shù)值分析主要采用殼單元進行建模分析，因此本文有限元模型均采用殼單元模擬夾層板結構，焊縫區(qū)域均采用節(jié)點過渡方式進行簡化模擬。數(shù)值分析過程中選取加載位置作為載荷、位移測量點，保證與試驗中測量點相同。

利用大型非線性有限元軟件 Abaqus 建立模型并分析計算，將有限元結果與試驗值進行對比，各工況下的結構變形模式如圖 10 所示。從圖中可清楚看到，在結構的變形模式上，有限元數(shù)值仿真結果與試驗結果非常接近，可以認為采用有限元數(shù)值仿真分析方法可以較為有效的反映夾層板結構在彎曲載荷作用下的變形失效模式。

圖 10 夾層板損傷變形Fig. 10 The damage deformation of core sandwich panels

各計算工況下試驗及有限元計算得到的載荷位移曲線對比如圖 11 所示。從圖中可以清楚的看到，試驗得到的曲線與有限元計算得到的曲線趨勢相同，數(shù)值相差較小。工況 1 中試驗值與有限元值幾乎重合，有限元計算得到的極限載荷為 2.85 kN；而工況 2 和 3 中有限元極限載荷分別為 4.62 kN 和 18.62 kN，其載荷位移曲線趨勢與較為接近?？傮w上看，有限元計算得到的結構極限強度結果相對試驗值偏大，且出現(xiàn)極限值出現(xiàn)的較早（相應位移?。?，極限載荷的差異主要是由于仿真計算中沒有考慮材料自身缺陷及焊接熱和殘余應力的影響，而位移的差異則是由于試驗過程中加載及約束裝置與試件之間存在間隙，在加載過程中會有一部分加載行程（位移）用來增加兩者緊密配合程度，比較 3 種工況下的載荷-位移關系曲線，工況 1 的試驗值與仿真結果較為一致，而工況 3 兩曲線差別最大，工況 2 次之，這主要是由于 3 種工況下結構強度由高到低依次為工況 3、工況 2 和工況 1，強度越高，獲得結構極限承載力需要施加的載荷越大，自然會使得試樣與加載約束裝置之間的間隙壓縮得較多，而有限元仿真計算中并沒有考慮這些間隙。

通過有限元與試驗對比可以認為本文采用的數(shù)值仿真建模及分析技術合理，能夠有效、準確的計算夾層板結構的極限承載力。此外，夾層板試驗研究過程中試件加工時間、制造成本及焊接設備、試驗設備方面均存在較高要求，采用有限元數(shù)值仿真分析方法能直觀的反映夾層板力學性能，有效降低研究成本，縮短研究周期。

圖 11 載荷-位移曲線Fig. 11 The load-displacement curves

4 結 語

本章以船用激光焊接夾層板為背景，首先開展夾層板極限強度試驗方案設計，基于激光焊接技術設計制造出 U 型折疊式夾層板試件；其次開展夾層板三點彎曲載荷作用下的極限強度試驗，對夾層板位移、極限載荷等進行了測量；然后利用有限元軟件模擬試驗工況進行了數(shù)值仿真分析，將結果與試驗進行對比分析，完善了有限元數(shù)值仿真技術。主要結論如下：

1）開展激光焊接夾層板設計制造，采用激光焊接技術加工得到 U 型折疊式夾層板。激光焊接過程中優(yōu)良的焊接工藝對結構變形影響很小，夾層板結構平整，焊接可靠。

2）極限強度試驗研究表明夾層板縱向極限承載能力優(yōu)于橫向的承載能力；相同形式的夾層板結構承載能力很大程度上取決于夾芯層結構的布置形式及承載模式。

3）在激光焊接夾層板設計中采用合理的數(shù)值分析方法可以較為準確的評估結構力學性能，有效降低研究成本，縮短研制周期。

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Ultimate strength tests of laser-welded corrugated-U type-core sandwich panels

HU Jie1, LIU Kun2, DU Xun-bo1, XIE Rong1
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Laser-welded sandwich panels have wide application prospect in vessel protection due to the excellent mechanical performance and structural advantages. In this paper, the Laser welding processing technology of laser-welded corrugated-U type-core sandwich panels (U-LASCOR) is designed, and the specimens of U-LASCOR are manufactured. The ultimate strength tests are carried out and the ultimate strength and deformation modes of the specimens during transverse and longitudinal bending are obtained. Then, the numerical simulations are carried out using the ABAQUS software to compare with the test results to validate and improve the numerical simulation technology. The results show that the numerical simulation has high precision and it can provide technical support to analyze the mechanical performance of sandwich panels in the further research.

laser-welded corrugated-U type-core sandwich panels (U-LASCOR)；ultimate strength；structure tests；numerical simulation

U661.4；O344

A

1672–7619(2016)12–0053–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.011

2016–08–23

國家自然科學基金資助項目（51609110）

胡杰(1981–)，男，碩士，講師，主要從事船舶與海洋結構物設計與制造技術研究。