V型折疊式夾層板改進(jìn)設(shè)計(jì)及抗沖擊性能數(shù)值分析

王哲，趙辰水，劉昆

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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V型折疊式夾層板改進(jìn)設(shè)計(jì)及抗沖擊性能數(shù)值分析

王哲，趙辰水，劉昆

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

以金屬基折疊式夾層板為研究對(duì)象，對(duì)傳統(tǒng)夾層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的V型夾層板結(jié)構(gòu)。應(yīng)用ABAQUS有限元軟件分析空爆載荷作用下改進(jìn)的V型夾層結(jié)構(gòu)的損傷變形機(jī)理和能量吸收機(jī)制，與傳統(tǒng)夾層板進(jìn)行比較，結(jié)果表明，改進(jìn)的V型夾層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)夾層板的變形量基本相等，但其吸能能力明顯高于傳統(tǒng)夾層板，表現(xiàn)出良好的抗沖擊性能。

V型夾層板；空爆載荷；能量吸收；抗沖擊性能

折疊式夾層板因重量輕、比強(qiáng)高、抗沖擊性能好等眾多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，使得其在艦船中的應(yīng)用逐漸增多。對(duì)于船用夾層板的抗沖擊性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3-6]開(kāi)展了大量的研究工作。為充分發(fā)掘夾層板的優(yōu)越性，國(guó)內(nèi)學(xué)者在U型、V型和X型等夾層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，提出了多種改進(jìn)后的夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并開(kāi)展了抗沖擊性能研究，得到了幾種抗沖擊性能較好的夾層板結(jié)構(gòu)[7]；設(shè)計(jì)了一種復(fù)合Y型折疊式夾層板結(jié)構(gòu)，船體舷側(cè)采取適當(dāng)?shù)腨型夾層結(jié)構(gòu)形式，可有效降低爆炸沖擊波所造成的結(jié)構(gòu)損傷和破壞，從而進(jìn)一步提高艦船的生命力[8]?，F(xiàn)有研究表明，在眾多基本的夾層結(jié)構(gòu)中，U型和V型夾層板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較高，抗沖擊性能較好[9-10]。因此，考慮在性能較優(yōu)的U型和V型夾層板的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新的夾芯結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件模擬空中爆炸載荷，分析對(duì)改進(jìn)的夾層板的抗沖擊性能，探討空爆載荷作用下改進(jìn)后的夾層板的能量吸收機(jī)制和損傷變形機(jī)理，與現(xiàn)有的夾層板進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估改進(jìn)夾層板在空爆載荷作用下的防護(hù)性能。

1 夾層結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)

夾層板的夾芯是主要的吸能構(gòu)件，夾芯的結(jié)構(gòu)形式對(duì)夾層板的吸能能力有重要影響。對(duì)其結(jié)構(gòu)形式、尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以有效提高結(jié)構(gòu)的整體吸能特性。

選取U型和V型夾層板整體尺寸均為1 000 mm×1 000 mm×100 mm，上下面板和夾芯厚度均為3 mm，質(zhì)量均約為100 kg。改進(jìn)的夾層結(jié)構(gòu)由2種結(jié)構(gòu)組合而成，一部分為V形結(jié)構(gòu)，另一部分為折線結(jié)構(gòu)。對(duì)于V型部分的設(shè)計(jì)，綜合考慮現(xiàn)有的U型和V型夾層板結(jié)構(gòu)形式，U型夾層板結(jié)構(gòu)為離散型結(jié)構(gòu)(圖1a))，V型夾層板結(jié)構(gòu)為連續(xù)型結(jié)構(gòu)(圖1b))。采用離散型結(jié)構(gòu)是考慮到改進(jìn)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量相對(duì)于現(xiàn)有夾層板結(jié)構(gòu)不能有大幅的增加；而設(shè)計(jì)成V型結(jié)構(gòu)一是為了保證有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，二是為了與夾芯結(jié)構(gòu)的折線部分結(jié)構(gòu)相連接。對(duì)于折線形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要是為了增強(qiáng)夾層板的吸能能力，以提高其抗沖擊性能，V型結(jié)構(gòu)和折線形結(jié)構(gòu)共同組成完整的夾芯結(jié)構(gòu)(圖1c))。為便于后續(xù)分析表述，將改進(jìn)夾層板命名為V-I型夾層板，其層板的整體尺寸和板厚均與U型和V型夾層板一致，結(jié)構(gòu)質(zhì)量與U型和V型夾層板相近。3種夾層板結(jié)構(gòu)的截面尺寸見(jiàn)圖1，每種夾層板由10個(gè)板格組成，每個(gè)板格寬度均為100 mm，圖中只給出2個(gè)板格寬度。

2 計(jì)算方案

利用有限元軟件ABAQUS模擬空爆載荷下夾層板結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其中，空氣流場(chǎng)模型采用中間為柱體兩端為半球體。為保證計(jì)算精度，流場(chǎng)半徑為結(jié)構(gòu)半徑的6倍[11]，有限元模型見(jiàn)圖2(圖中給出的是1/2流場(chǎng)有限元模型)。

圖1 V-I型夾層板截面尺寸示意

圖2 結(jié)構(gòu)-流場(chǎng)有限元模型

采用聲固耦合算法，流場(chǎng)單元選用4節(jié)點(diǎn)線性聲學(xué)四面體單元(AC3D4)，流場(chǎng)的特性由空氣的密度和體積模量表述，空氣密度為1.29 kg/m3，體積模量為1.42×105Pa。夾層板有限元結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，選用殼單元模擬，單元類型為4節(jié)點(diǎn)縮減積分四邊形單元(S4R)[12]。迎爆面板四周和夾芯邊界處約束平行于面板的平動(dòng)自由度，背爆面板四周全約束。

采用64 kg的TNT球型炸藥，爆點(diǎn)位于迎爆面中心點(diǎn)正上方2 m處。夾層板材料采用船用低碳鋼，密度ρ=7 850 kg/m，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，屈服應(yīng)力為235 MPa，材料最大塑性應(yīng)變?nèi)?.3，采用Cowper-Symonds本構(gòu)模型考慮材料的應(yīng)變率敏感性，其中參數(shù)D取40.4，P取5[13]。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

能量吸收情況見(jiàn)圖4。

圖4 能量吸收曲線

由圖4可見(jiàn)，無(wú)論是整體塑性能還是芯材塑性能，與U型夾層板和V型夾層板相比，V-I型夾層板的吸能量更多，吸能能力更強(qiáng)。對(duì)于整體塑性能，在沖擊的初始階段V型夾層板的塑性能略高于V-I型和U夾層板，但隨著沖擊時(shí)間的增加，V-I型夾層板的塑性能超越V型和U型夾層板，最終達(dá)到最大值。V-I型夾層板比U型夾層板的整體吸能能力提高近1倍，比V型夾層板的整體吸能能力提高約1/3。對(duì)于夾芯塑性能，V-I型夾層板夾芯的塑性能從一開(kāi)始就明顯高于U型和V型夾層板，比U型夾層板夾芯的吸能能力提高近1.5倍，比V型夾層板夾芯的吸能能力提高近1倍。通過(guò)吸能曲線可以看出，改進(jìn)后的V-I型夾層板的吸能能力比U型和V型夾層板的吸能能力有顯著提高。

3.2 背爆面中心點(diǎn)位移時(shí)程曲線

由于夾層板背爆面與艦船內(nèi)部的人員和設(shè)備直接接觸，背爆面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)直接影響到艦船內(nèi)部的人員和設(shè)備的安全，因此本文重點(diǎn)考察夾層板背爆面的變形量。而背爆面中心點(diǎn)作為一個(gè)典型測(cè)點(diǎn)，其位移量可以代表整個(gè)夾層板背爆面的最大變形量。因此選取背爆面中心點(diǎn)為考察點(diǎn)。通過(guò)背爆面中心點(diǎn)位移時(shí)程曲線(圖5)可以看出，3種夾層板中心點(diǎn)處的位移曲線先是迅速上升，上升趨勢(shì)較為接近，經(jīng)過(guò)振蕩波動(dòng)之后穩(wěn)定在某一值附近。V-I型夾層板的中心位移和V型夾層板的中心位移基本相同，略高于U型夾層板，3種夾層板的中心位移總體來(lái)說(shuō)較為接近。證明V-I型夾層板在吸能能力顯著提高的同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并沒(méi)有明顯減弱。

圖5 中心點(diǎn)位移

3.3 S型夾層板吸能模式分析

改進(jìn)的V-I型夾層板吸能能力得到顯著提高，主要原因在于改進(jìn)后的夾芯中增加了折線結(jié)構(gòu)，因此僅對(duì)折線形結(jié)構(gòu)的吸能機(jī)理進(jìn)行分析。分析V-I型夾層板的損傷變形(圖6)可以看出，在爆炸沖擊的初始階段，背爆面板和夾芯中的倒V型結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有變化，夾芯中的折線結(jié)構(gòu)首先發(fā)生變形。在沖擊波作用下，折線結(jié)構(gòu)折疊壓縮產(chǎn)生塑性變形，這一過(guò)程可以吸收大量的沖擊波能量，減小沖擊波對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的沖擊。從夾芯塑性能曲線圖(圖4b)也可以看出，在這一過(guò)程中V-I型夾層板的吸能曲線迅速上升，其數(shù)值明顯高于其他兩條吸能曲線。同時(shí)，夾心中的倒V型結(jié)構(gòu)可以保證夾層板結(jié)構(gòu)的橫向強(qiáng)度，防止夾層板產(chǎn)生大的變形，而且壓縮后的折線形結(jié)構(gòu)也具備一定的抗彎能力，這兩者共同作用使得夾層板在吸能顯著增加的同時(shí)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并沒(méi)有減弱。這種組合式的夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兼顧能量吸收和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，與未改進(jìn)的夾層板相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性。

圖6 S型夾層板損傷變形圖(局部)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值仿真分析結(jié)果匯總

注： “比吸能”是指結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量吸收的能量。

由表1可知，對(duì)于整體塑性能，改進(jìn)的V-I型夾層板比U型夾層板的整體吸能提高87.6%，比V型夾層板的整體吸能提高31.7%。對(duì)于夾芯塑性能，V-I型夾層板比U型夾層板夾芯的吸能提高148.3%，比V型夾層板夾芯的吸能提高84.0%。比吸能是指結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量所吸收的能量，由于把結(jié)構(gòu)質(zhì)量考慮在內(nèi)，因此比吸能可以更加全面的反映整個(gè)結(jié)構(gòu)的吸能特性。V-I型夾層板的比吸能比U型夾層板高77.6%，比V型夾層板高29.8%。由此可以看出，改進(jìn)后的V-I型夾層板的吸能能力得到顯著提高。改進(jìn)后的V-I型夾層板夾芯的吸能占總吸能的比例(為46.8%)明顯高于U型和V型夾層板夾芯吸能占總吸能的比例(分別為35.4%、33.5%)，說(shuō)明改進(jìn)的V-I型夾層板的夾芯結(jié)構(gòu)具備更好的吸能能力。在吸能顯著提高的同時(shí)，3種夾層板的中心位移相差不大，說(shuō)明改進(jìn)的V-I型夾層板仍然具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

改進(jìn)的V-I型夾層板突破了常規(guī)夾層板單一的夾芯結(jié)構(gòu)形式，在不增加結(jié)構(gòu)損傷變形的情況下V-I型夾層板的抗沖擊能力得到顯著提高。若應(yīng)用于艦船結(jié)構(gòu)，V-I型夾層板可以通過(guò)增加自身吸能來(lái)緩沖爆炸沖擊波對(duì)整個(gè)艦船的作用力，減少?zèng)_擊波對(duì)艦船內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沖擊，在不增加艦船損傷變形的前提下改善沖擊環(huán)境，提高艦船對(duì)內(nèi)部人員和設(shè)備的防護(hù)能力。因此，改進(jìn)的V-I型夾層板可為新式艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

后續(xù)研究應(yīng)考慮對(duì)其開(kāi)展極限強(qiáng)度等靜力分析以及碰撞、侵徹等其他形式的動(dòng)力分析，全面研究其力學(xué)性能。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)V-I型夾層板的結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，分析各幾何參數(shù)對(duì)其抗沖擊性能的影響。

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Numerical Analysis on Shock Resistance Performance and Improved Design of V-type Corrugated Core Sandwich Panel

WANG Zhe, ZHAO Chen-shui, LIU Kun

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

An improved V-type sandwich structure was proposed based on the traditional metallic corrugated core sandwich panel. Focus on the improved V-type sandwich structure under air non-contact explosions, the damage deformation and energy absorbing mechanism was analyzed in ABAQUS. The shock resistance performance was compared with the traditional sandwich panels. The results showed that the displacement of the improved V-type sandwich panel is almost equal to the traditional sandwich panel while the energy absorption is higher remarkably. The shock resistance performance of the improved V-type sandwich panel is enhanced significantly.

V-type sandwich panel; air blast load; energy absorption; shock resistance performance

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.022

2016-12-12

王哲(1992—),男,碩士生

研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)性能

U661.43

A

1671-7953(2017)04-0098-04

修回日期：2016-12-25