深水静压下混杂夹芯复合结构形变及强度特性

武大江，梅志远，周晓松

深水静压下混杂夹芯复合结构形变及强度特性

武大江，梅志远，周晓松

海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033

针对混杂夹芯复合结构的典型结构和承载受力特征，以某水下平台附体结构为背景展开研究。首先，设计试验模型并进行耐压承载特性试验。然后，用Abaqus建立有限元分析模型，将仿真计算与试验结果进行对比，验证仿真分析的有效性，并在此基础上进一步探讨深水静压载荷作用下该结构各主要组成构件的变形及应力分布特征规律。最后，以钢质框架与表层蒙皮相交应力集中区域的细节设计问题为对象，综合评价了2种T型连接设计方案的合理性与可行性。结果显示，芯材弹性模量在4～8GPa时可以避免蒙皮和芯材出现严重的应力集中，可为该类结构的后续工程设计提供参考。

混杂夹芯复合结构；深水静压；应力集中；有限元法

期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：武大江，梅志远，周晓松.深水静压下混杂夹芯复合结构形变及强度特性［J］.中国舰船研究，2015，10（5）：47-52.

WU Dajiang，MEIZhiyuan，ZHOU Xiaosong.Deformation and strength characteristics of hybrid sandwich composite structuresunderstatic pressureindeepwaterenvironment［J］.Chinese Journalof Ship Research，2015，10（5）：47-52.

0　引言

复合材料在舰艇结构上的应用已有近70年的历史，随着复合材料技术的不断发展更新，其在船舶行业中的应用也越来越广泛［1-3］。复合材料具有耐腐蚀性、低磁性、高阻尼减振降噪和便于加工成型等优良特性［4-5］，其广泛应用深刻地影响了船舶行业的发展。

然而，由于设计和使用经验的不足，我国舰艇复合材料结构至今未能得到大规模的应用。同时，出于结构安全性和可靠性的考虑，钢/复合材料混合结构形式在现阶段频繁出现于实际工程［6］，尤其是水下结构平台的设计领域中。本文所提出的混杂夹芯复合结构就是此类结构的典型代表之一。此类结构一般为实芯结构，在深水环境中将承受巨大的静水压力，从而改变原钢质结构的非耐压特性，导致结构设计载荷发生变化，带来刚度和强度的设计问题。对此，本文拟针对混杂夹芯复合结构的典型结构及承载特征，通过采用试验研究和仿真分析相结合的方法开展研究工作，以探讨该类结构的变形和强度特征以及局部结构的细节问题。

1　混杂夹芯复合结构特征及试验模型设计

1.1混杂夹芯复合结构特征

传统的水下平台非耐压结构一般由纵横交叉的钢质框架和钢质蒙皮组成，如水下平台的操纵面和非耐压舷间壳体结构等。此类结构上一般设置流水孔，不承受静水压力作用。而混杂夹芯复合结构一般保留内部钢质框架结构，在板格内部填充轻质芯材，并采用复合材料取代原有的钢质蒙皮。此类结构较原非耐压结构具有无腐蚀、水下质轻以及功能可设计性优良等综合优势，现已在水下结构平台设计领域得到广泛应用［7］。典型的混杂夹芯复合结构形式如图1所示。框架结构作为支撑构件一般为钢质结构；填充芯材多为低模量的轻质或浮力材料；表层采用复合材料层合板蒙皮，包覆整个结构，形成封闭整体。

图1　混杂夹芯复合结构原理示意图Fig.1　Principle of hybrid sandwich composite structure diagram

1.2试验模型设计

本文以某水下平台附体结构的设计为背景，设计了一个混杂夹芯复合结构的典型单元结构模型，模型存在倾斜面和弧形过渡面，钢框架纵横交叉形成方格区域，横向框架上有钢质板条，主要构件尺寸如图2所示。主要材料参数见表1，其中，E为弹性模量，G为剪切弹性模量，ν为泊松比。

图2　典型结构单元模型Fig.2　Unitmodelof typicalstructure

表1　模型主要材料参数Tab.1　M ain m aterial param eters in m odel

2　深水静压承载特性模型试验及有限元对比分析

2.1模型试验

为了探究试验模型在深水静压环境下的整体受力和变形情况，将其放入压力筒试验机中进行静压加载，以模拟深水静压环境，试验系统构成如图3所示。

图3　压力筒试验系统Fig.3　Testsystem ofpressure vessel

在试验模型上布置3个应变测点和1个位移测点，测点布置如图4所示，其中应变测点1位于框架左下方中心位置；测点2和3分别位于框架横向和纵向钢板位置，位移测点位于框架右下方中心位置。模型应变数据采用电阻式应变片测量，通过弹簧钢片上测得的应变数据转换得到相对位移。试验加载工况为：1，2，3，4和4.5MPa，分别模拟100，200，300，400和450 m水深时的静水压力。试验模型放置及试验测试状态如图5所示。

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图4　应变和位移测点位置Fig.4　Position of strain and displacementmonitoring

图5　静压试验状态Fig.5　Hydrostatic teststatus

2.2试验和仿真结果对比分析

为深入研究深水静压载荷作用下典型单元结构模型的承载受力及变形特性，本文利用通用有限元分析软件Abaqus/Standard建立有限元仿真模型，并对试验工况进行仿真分析。仿真计算模型中对钢质框架、填充芯材以及表层复合材料均采用三维实体单元进行建模，网格划分采用8节点六面体线性完全积分单元。材料参数见表1，均布压强施加在模型表面。

对试验测试结果与仿真计算结果进行对比分析，主要结论如下：

1）结构承载能力评价：在4.5MPa试验工况下，测量的应变峰值为1 267με，位移测点峰值0.43 mm。试验后模型表面完整性良好、未出现明显的破坏，表明结构具有良好的结构承压特性。

2）应变特征对比：各应变测点位置的有限元仿真值与试验值基本吻合，误差率小于8.5%。由图6可知：测点1～3在0～4.5MPa加载时，应变/载荷曲线吻合度很高。

3）位移特征对比：位移测点在0～4.5MPa加载时，试验和有限元计算值的线性度均较好，试验和仿真值变化率分别为0.1和0.07 mm/MPa，仿真值略小于试验值。

对比分析试验和仿真结果，二者应变和位移均随载荷线性增加，误差率小于10%，满足工程精度要求，表明有限元仿真分析是合理有效的。

图6　应变和位移的试验仿真对比Fig.6　Comparison ofstrain and displacementbetween test values and finite elementsimulations

3　组成构件形变和强度特性

3.1表层位移及应力分布特征

表层蒙皮的变形将导致结构的型表面特征发生变化，并可能进一步影响其水动力特性。此外，蒙皮结构的破损将导致内部进水，破坏结构强度，因此对表层位移及应力集中特征进行探讨十分必要。

蒙皮在单个框架板格内的变形模式符合弹性基础四边固支矩形板的弯曲变形特征［8］，挠度峰值位于板格中心，位移云图如图7所示。

图7　蒙皮位移云图Fig.7　The contours of skin displacement

表层复合材料在框架板格区域的材料方向定义见图2，应力分布有如下特点：

1）正应力σ1，σ2在纵向钢质框架和横向钢质边板处出现应力集中。

2）剪应力τ12集中于在钢质框架的角点区域出现集中。

表层蒙皮的应力分布集中区域如图8所示。由于蒙皮、钢框架和芯材的交界面存在刚度突变［9］，钢框架受压变形小，浮体芯材变形较大，导致蒙皮的变形出现突变，造成局部应力集中。关于应力集中区域的细节设计问题，将在第4节中展开讨论。

图8　蒙皮应力集中区域Fig.8　Skin stress concentration areas

3.2钢框架的强度特性

相较于传统钢质透水结构，混杂复合结构将承受静水压力，从而带来了钢质框架结构强度校核的设计要求。

钢框架应力云图如图9所示。从图中可以看出，框架纵横交叉处存在明显应力集中，应力约为80～130MPa。局部区域存在较高的应力峰值，如左侧板条和顶部刚质边板相交处应力为198MPa，与底部钢质边板相交处应力达到224MPa。若考虑钢质耐压结构设计的安全系数等因素，则此类区域的强度能否满足设计要求需要进一步讨论。

图9　钢框架应力云图Fig.9　The contours of steel frame stress

4　应力集中区域的细节设计

如前文所述，混杂夹芯复合结构在其截面方向的应力分布是不均匀的，局部区域存在应力集中。试验模型中存在2种不同的钢框架与蒙皮T型连接形式，其应力分布特性也存在不同。在钢框架横向钢板与蒙皮T型连接区域，钢框架上加有厚6 mm宽20 mm的钢质边板；纵钢板T型连接区域无边板，而中间纵向钢板和蒙皮之间有6 mm厚的过渡材料，截面形式如图10所示。模型坐标见图2，以垂直于蒙皮表面的方向为 z方向。分别对2种连接形式进行讨论分析。

图10　蒙皮与框架交接处截面图Fig.10　Skin and frame junction

4.1钢质板条宽度的探讨

在第1种T型连接区域中，钢质板条的宽度为20mm，表层蒙皮有较高的应力集中峰值，以4.5MPa工况为例，蒙皮面内正应力σx约为21.5MPa。钢质板条宽度对连接区域的刚度有较大影响，因此以钢质板条宽度为变量探讨蒙皮应力峰值的变化。

考虑无钢质板条，即钢骨架直接与蒙皮接触的情况，此时蒙皮应力峰值约为21.6MPa，和宽度为20mm情况相差小于1%。

增大钢质板条宽度到40 mm，蒙皮应力峰值降为19.9MPa，较20mm板条降低7.4%。

增大钢质板条宽度到60 mm，蒙皮应力峰值降为19.1MPa，较20 mm板条降低9.4%。

进一步分析，当钢质板条宽度为20 mm时，z向位移约为0.012mm，与厚度相比可以忽略，因此蒙皮应力水平和无钢质板条一致。

随着钢质板条宽度增加，其z向位移虽有增加，但最大仅为0.068mm，整体较小。蒙皮应力峰值有所降低，但幅度较小，低于10%。且钢质板条宽度增加，导致钢质板条与框架连接处局部应力增大。由此得出：增大钢质板条宽度以降低蒙皮应力的方案不可取。

4.2过渡材料弹性模量的探讨

在第2种T型连接的区域中，过渡材料连接钢骨架和蒙皮，对蒙皮应力水平有重要影响，如果过渡材料为钢，蒙皮面内正应力σy约为21.4 MPa；若过渡材料为泡沫（E=500MPa，v=0.3），则蒙皮面内正应力σy降低为11.6MPa，但芯材在和蒙皮与泡沫交界处的Mises应力迅速增大，变为4.9MPa。综合分析，第2种T型连接区域的过渡材料选用高模量材料，则蒙皮正应力集中较严重，过渡材料选用低模量材料，则芯材在材料交界面处应力集中较严重。为避免出现这2种情况，过渡材料应具有合适的弹性模量区域。本文通过仿真，计算得出蒙皮在交界区域正应力和芯材在交界面的M ises应力随过渡材料（v取0.3）的弹性模量的变化曲线，如图11（横坐标为对数刻度）所示。

图11　蒙皮和芯材应力随过渡材料弹性模量变化图Fig.11　Variation ofskin and corematerialstresseswith respect to transitionmaterials elasticmodulus

分析图11可知，蒙皮应力集中峰值和芯材应力集中峰值随过渡材料弹性模量变化曲线分别在8和4 GPa出现拐点，4 GPa以下，芯材应力增加明显，8 GPa以上时芯材模量减低不明显，但蒙皮应力集中加剧，故过渡材料的选择应考虑弹性模量范围为4～8 GPa。

4.3对比分析

对比2种T型连接方案：第1种方案中表层蒙皮有较高的应力集中峰值，4.5MPa工况下，蒙皮面内正应力峰值达到21.5MPa；而第2种方案中，合理地选择过渡材料的弹性模量（以E=4 GPa，v=0.3为例）蒙皮的面内正应力为17.1 MPa，较第1种形式降低20%。

5　结论

通过对混杂夹芯复合结构在深水载荷作用下的形变和强度特性进行模型试验和仿真分析，可以得出如下结论：

1）基于Abaqus的有限元仿真分析，与模型试验结果有较高的吻合度，验证了仿真计算的可靠性，是后续分析的基础。

2）蒙皮包覆整个结构，并直接承受静压载荷，由于蒙皮、钢框架和芯材交界面存在刚度突变，导致蒙皮在钢框架和芯材交界处产生应力集中。

3）由于钢质框架在深水环境中承受静水压力，钢框架纵横交叉处存在明显应力集中，应力约80～130MPa，局部区域应力峰值达到224MPa，此类区域的强度能否满足设计要求需要进一步讨论。

4）第2种T型连接方案中，过渡材料选用高模量材料，则蒙皮正应力集中较严重，过渡材料选用低模量材料，则芯材在材料交界面处应力集中较严重。为避免出现这种情况，本文通过仿真计算，得出过渡材料的合理弹性模量范围为4～8GPa。

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［责任编辑：胡文莉］

Deform ation and strength characteristicsof hybrid sandw ich com posite structures under static p ressure in deep water environm ent

WU Dajiang，MEIZhiyuan，ZHOU Xiaosong
Departmentof Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

According to the typical structure of hybrid sandwich composite structures and the corresponding bearing force characteristics，this paper takes a certain submerged p latform appendage structure as the research target.First，a model test scheme is designed，and the experimental study on compression load-bearing characteristics is carried out.Then，the Abaqus finite elementmodel is established，whose validity is verified through comparative analysiswith the experimental data.On this basis，further discussion about the deformation and strength characteristics of the main component of hybrid sandwich composite structures under static pressure in deep water environment is put forward.Finally，considering the design problem of the stress concentration area between steel frame and surface skin，the rationality and feasibility of the comprehensive evaluation of two types of T connection design are estimated.The results show that serious stress concentration of the skin and the corematerial could be avoided when the elasticmodulus of the corematerial is between 4～8 GPa，which serves as valuable reference for future engineering design.

hybrid sandwich composite structure；deep water pressure；stress concentration；finite elementmethod

U663.9

ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.008

2015-01-19网络出版时间：2015-10-8 11∶10

国家自然科学基金资助项目（51479205）

武大江，男，1990年生，硕士生。研究方向：船体结构强度与振动。E-mail：tlbsjagk@sina.com

梅志远（通信作者），男，1973年生，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：船用复合材料应用工程。

E-mail：zhiyuan_mei@163.com

网络出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1110.020.htm l