全钢三明治板的强度及失效模式的研究现状分析

蒋小霞　张天星　刘俊萍

摘要：在美国、德国和中国分别提出“先进制造业伙伴关系（AMP）”、“工业4.0（Industry4.0）”和“中国制造2025（MadeinChina 2025）”新一轮制造业改革的浪潮下，产品轻量化理念备受关注。全钢三明治板是一种新型轻质高强结构，在舰船轻量化领域有着广阔的应用前景。以舰船轻量化为应用背景，主要从三明治板的结构类型、全钢三明治板的制造方法和全钢三明治板的强度及失效模式三方面进行综述，发现在全钢三明治板的强度及失效的研究中有3个方面的问题亟待解决：需尽快解决全钢三明治板在较低载荷时接头开裂而致使承载能力得不到充分发挥的问题；焊接接头失效后的维护和再制造问题；探索并找寻新的结构设计及优化方法，进而开展大量试验研究，并结合数值计算，降低总体舰船的设计风险。

关键词：全钢三明治板；强度；焊接接头

中图分类号：TB383.4

文献识别码：A

文章编号：1001-828X（2016）036-000328-02

全钢三明治板（an Steel Sandwich Panels）是一种设计灵活、性能优异的新型轻质高强结构，不仅具有高比强度、高比刚度、冲击性能良好和耐碰撞等优异特点，而且其结构可以模块化设计和制造，因此近年来引起了国内外研究者的青睐。目前，国外全钢三明治板已成功应用于船舶、汽车、建筑、桥梁等众多领域。

全钢三明治板属于复合材料范畴，是一类由上、下面板以及诸如波纹型、蜂窝型、桁架型等全钢夹芯构成的一种结构板，这种结构特征决定其力学性能具有各向异性的特点。在面板和芯板所构成的空心部分填充一些低密度的高分子材料或者泡沫金属能进一步提升其抗冲击，隔热，防腐等性能。实际上，早在1950年，人们认识到金属三明治板的“夹芯效应”，提议将其作为一种新的工业分支来发展。但因为当时的激光功率发生器十分昂贵，以致制造成本太高，市场难以接受，金属三明治板在当时并未发展起来。直到上世纪80年代，美国海军促进了金属三明治结构板的发展闭。在欧洲，有关金属三明治结构板的研究盛行于德国、英国和芬兰等国家。

在国内，随着科技发展和激光焊接技术的广泛应用，哈尔滨工业大学、清华大学、华中科技大学、北京工业大学、西北工业大学、兰州理工大学、北京航空制造工程研究所、上海交通大学、大连理工大学等科研院都有从事激光焊接制造技术研究，并取得了大量卓有成效的研究成果。岳灿甫等在综述国外船用激光焊接波纹夹芯板的开发与应用中，指出我国除广泛了解和掌握国外发展水平基础外、还需开展应用研究工作，在造船工业和海军舰艇建造中优先采用这种先进结构，以提高产品的性能水平。因此，开展高比强度、高空间节约率、模块化程度高、制造成本低的激光焊接金属三明治结构板的研究，并将其应用于我国的船舶、汽车、桥梁等领域将会产生重大的经济效益和社会效益。2010年以来上海交通大学和兰州理工大学的研究成果表明，厚面板全钢三明治板将在舰船减重方面扮演越来越重要的角色，在刚度方面已突破文献中提到的减重30-50%，但是其强度并未达到设计要求，原因主要是激光焊接接头的开裂致使整个结构过早失效。本文从三明治板的结构类型、全钢三明治板的制造方法和全钢三明治板的强度及失效模式三个方面分析全钢三明治板的强度研究遇到的难题，为后续进一步深入研究全钢三明治板的失效模式奠定一定基础。

一、金属三明治板的结构类型

按照面板和芯板的材料不同，金属三明治板可分为三类：全金属（All-Metal）三明治板、混合金屬（Hybrid-Metal）三明治板和复合材料（composite）三明治板。其中全金属三明治板是指面板和芯板都使用金属材料，通常在海洋结构中选用钢和铝。根据芯部结构的特征，金属三明治板大致可以分为3大类：波纹型、蜂窝型和桁架型。波纹型三明治板是指芯板在一个方向上进行有规律的排列，常见的波纹型夹芯有I型、v型、c型和z型等，如图1所示。

二、全钢三明治板的制造方法

因为全钢三明治板的结构特性，用传统的制造方法难以制备，因而使用激光穿透焊接技术成为制备全钢三明治板的主要方法。其制备过程主要有：加工面板和芯板、固定工作台、装配面板及芯板并通过试焊、确定面板和芯板坐标和正式进行激光焊接。激光焊接具有焊接速度快，焊后变形小及易实现自动化等优点。但由于受限于激光器的功率大小，在制备厚面板的全钢三明治板时，面板和芯板连接处的焊缝宽度会比较窄，这必将影响全钢三明治板的力学性能。如果增加连接处的焊缝宽度，就要求使用更高功率的激光发生器，而这使很多科研单位目前还不能接受购买和维护造价高昂的大功率激光功率发生器。在此情形下，我们应探索采用激光和电弧耦合焊接、激光多道焊接和窄间隙焊接方法制备全钢三明治板。兰州理工大学在焊剂片约束电弧焊接制造高强钢三明治板方面进行着大量研究。

三、全钢三明治板的强度及失效模式

强度是全钢三明治板结构设计中重要指标之一，当载荷达到最大承载力时，全钢三明治结构板将不适于继续承载变形。全钢三明治板的强度与其失效形式密切相关。Romanoff等认为金属三明治板失效模式主要有：屈服（Yielding）、屈曲（Buekling）和永久变形（Dent）。Kujala等认为三明治结构板的失效形式主要有：面板开裂、芯板剪切失效、整体屈曲等。不同结构、载荷和边界条件的金属三明治梁或板，在载荷达到最大承载力时，会以图2所示的一种或几种组合的形式失效。

美国早在20世纪80年代采用激光焊接的方法，有效的将薄钢板与波纹夹心连接在一起，形成具有高强度的波纹夹心三明治钢板（LASCOR），并将其成功用于舰船的舱壁、隔板和天线平台等非承载部位。三明治板结构的前瞻性吸引了芬兰、英国和德国等欧洲国家，并对Web-core型金属三明治板进行了开发和利用。德国Meyer Werfft船厂使用激光穿透（staking Welding）的方法制造的I型金属三明治板已经标准化生产。经研究和实践表明，在相同极限强度下，较传统夹芯结构相比，I型金属三明治板的应用可以使船体结构总质量下降30%-50%。近10年来，在芬兰，以赫尔辛基大学为主的多个科研院所，在Web-core型三明治板的制备、性能评定、应用及结构优化设计方面取得的研究成果表明激光焊接全钢三明治板在舰船的轻量化将扮演越来越重要的角色。日本Anand等对Web-core型金属夹层结构与常规船体结构的连接进行了疲劳强度的研究。无论是LASCOR板还是Web-core型板的成功应用都说明这类结构板在轻量化方面的独特优势，然而在这些研究中有关全钢三明治板的强度和失效模式的研究工作大量展开，其原因主要是这些三明治板主要用于船体结构中的非承载部位，即满足刚度要求。但是为了进一步减轻舰船的重量，必须采用厚面板的高强钢制备的全钢三明治板替代传统加强板，有关这方面的研究在国内外已经展开，并取得了一定成果，然而值得人们更加关注的是厚面板高强钢三明治板的强度及失效问题。

上海交通大学与兰州理工大学于2010年，联手对全钢三明治板的激光焊接制造基础进行研究。在其研究中，通过外伸梁三点弯曲试验的方法研究了多种结构参数的全钢三明治板的强度及失效模式，其主要结果表明焊接接头的强度会影响三明治板结构的整体强度，尤其当焊接接头的焊缝宽度较小时，在接头处会形成塑性铰，造成整体板以接头屈服的形式失效；当焊缝宽度较小，但整体板在未達到最大在载荷时，接头开裂，造成整体板强度结构坍塌。因此，他们将焊接接头的失效定义为整体三明治板的失效模式之一，接头失效包括接头完全屈服和接头开裂两种情况。这在之前的研究中北没有报道。为了得到较宽的焊缝，他们采用适当减小面板厚度，从而提高激光焊接的功率，最后获得了性能优异的全钢三明治板，但是因为减少了面板的厚度，整体结构的承载能力降低，其整体板的失效形式又变为面板屈曲。这些研究让我们认识到焊接接头是全钢三明治板的重要构成部分，同时也是薄弱部分，在未来有关厚面板高强钢三明治板的研究中必须加以重视。国内还有一些针对全钢三明治板的强度问题和失效模式的研究，这些研究一方面提醒研究者对三明治板中焊接接头的认识不能只停留在传递剪力的水平上，另一方面提醒研究者应该开展在少数焊接接头局部失效后如何进行修复，即三明治板的再制造问题。

为了进一步提升制造业水平，美国、德国和我国分别提出了“先进制造业伙伴关系（AMP）”、“工业4.0（Industry4.o）”和“中国制造2025（Made in China 2025）”。在制造业新一轮改革的浪潮下，产品轻量化理念无疑会备受关注，这将促进全钢三明治板在船舶、汽车、建筑、桥梁等诸多领域的应用，但是，提高全钢金属三明治板的强度，即解决焊接接头强度所带来的一系列问题是面临的主要困难。在此，建议主要从焊接方法和结构设计两方面改进：采用激光和电弧耦合焊接方法或窄间隙焊接方法；引入先进的结构设及优化计理念，从焊接接头的强度设计出发，在解决焊接接头、三明治板和舰船尺寸效应的前提下，进行总体结构的设计。

四、结论

为提高材料与能源的利用率，结构轻量化已成为整个制造业的一个重要突破点。其中，解决船舶的轻量化的重要途径之一是采用全钢三明治板替代传统加强板。国内外有关全钢三明治强度方面的研究表明此类结构板在舰船轻量化方面具有广阔的应用前景，但是以下几个方面还需引起重视：

1.为进一步减轻舰船重量，在承载部分应用厚面板的全钢三明治板替代传统加强板势在必行，那么首先应解决因焊接接头的强度问题导致整体三明治板承载能力远远低于设计水平；

2.应尽快开展大量有关全钢三明治板相互之间连接、全钢三明治板局部焊接接头失效后的维护和再制造研究；

3.探索制造全钢三明治板的创新工艺和先进的设计理念和结构优化方法，并开发高效智能化的组装技术。