V型折叠式夹层板改进设计及抗冲击性能数值分析

王哲，赵辰水，刘昆

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)



V型折叠式夹层板改进设计及抗冲击性能数值分析

王哲，赵辰水，刘昆

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

以金属基折叠式夹层板为研究对象，对传统夹层板结构进行改进，设计一种改进的V型夹层板结构。应用ABAQUS有限元软件分析空爆载荷作用下改进的V型夹层结构的损伤变形机理和能量吸收机制，与传统夹层板进行比较，结果表明，改进的V型夹层结构与传统夹层板的变形量基本相等，但其吸能能力明显高于传统夹层板，表现出良好的抗冲击性能。

V型夹层板；空爆载荷；能量吸收；抗冲击性能

折叠式夹层板因重量轻、比强高、抗冲击性能好等众多优点[1-2]，使得其在舰船中的应用逐渐增多。对于船用夹层板的抗冲击性能，国内外学者[3-6]开展了大量的研究工作。为充分发掘夹层板的优越性，国内学者在U型、V型和X型等夹层结构的基础上，对其进行概念设计，提出了多种改进后的夹层结构设计方案，并开展了抗冲击性能研究，得到了几种抗冲击性能较好的夹层板结构[7]；设计了一种复合Y型折叠式夹层板结构，船体舷侧采取适当的Y型夹层结构形式，可有效降低爆炸冲击波所造成的结构损伤和破坏，从而进一步提高舰船的生命力[8]。现有研究表明，在众多基本的夹层结构中，U型和V型夹层板结构的强度较高，抗冲击性能较好[9-10]。因此，考虑在性能较优的U型和V型夹层板的基础上，设计一种新的夹芯结构，运用ABAQUS有限元软件模拟空中爆炸载荷，分析对改进的夹层板的抗冲击性能，探讨空爆载荷作用下改进后的夹层板的能量吸收机制和损伤变形机理，与现有的夹层板进行对比，评估改进夹层板在空爆载荷作用下的防护性能。

1 夹层结构的初步设计

夹层板的夹芯是主要的吸能构件，夹芯的结构形式对夹层板的吸能能力有重要影响。对其结构形式、尺寸进行设计优化，可以有效提高结构的整体吸能特性。

选取U型和V型夹层板整体尺寸均为1 000 mm×1 000 mm×100 mm，上下面板和夹芯厚度均为3 mm，质量均约为100 kg。改进的夹层结构由2种结构组合而成，一部分为V形结构，另一部分为折线结构。对于V型部分的设计，综合考虑现有的U型和V型夹层板结构形式，U型夹层板结构为离散型结构(图1a))，V型夹层板结构为连续型结构(图1b))。采用离散型结构是考虑到改进结构的质量相对于现有夹层板结构不能有大幅的增加；而设计成V型结构一是为了保证有较强的结构强度，二是为了与夹芯结构的折线部分结构相连接。对于折线形结构的设计，主要是为了增强夹层板的吸能能力，以提高其抗冲击性能，V型结构和折线形结构共同组成完整的夹芯结构(图1c))。为便于后续分析表述，将改进夹层板命名为V-I型夹层板，其层板的整体尺寸和板厚均与U型和V型夹层板一致，结构质量与U型和V型夹层板相近。3种夹层板结构的截面尺寸见图1，每种夹层板由10个板格组成，每个板格宽度均为100 mm，图中只给出2个板格宽度。

2 计算方案

利用有限元软件ABAQUS模拟空爆载荷下夹层板结构的动态响应，其中，空气流场模型采用中间为柱体两端为半球体。为保证计算精度，流场半径为结构半径的6倍[11]，有限元模型见图2(图中给出的是1/2流场有限元模型)。

图1 V-I型夹层板截面尺寸示意

图2 结构-流场有限元模型

采用声固耦合算法，流场单元选用4节点线性声学四面体单元(AC3D4)，流场的特性由空气的密度和体积模量表述，空气密度为1.29 kg/m3，体积模量为1.42×105Pa。夹层板有限元结构见图3，选用壳单元模拟，单元类型为4节点缩减积分四边形单元(S4R)[12]。迎爆面板四周和夹芯边界处约束平行于面板的平动自由度，背爆面板四周全约束。

采用64 kg的TNT球型炸药，爆点位于迎爆面中心点正上方2 m处。夹层板材料采用船用低碳钢，密度ρ=7 850 kg/m，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，屈服应力为235 MPa，材料最大塑性应变取0.3，采用Cowper-Symonds本构模型考虑材料的应变率敏感性，其中参数D取40.4，P取5[13]。

图3 结构有限元模型

3 计算结果及分析

能量吸收情况见图4。

图4 能量吸收曲线

由图4可见，无论是整体塑性能还是芯材塑性能，与U型夹层板和V型夹层板相比，V-I型夹层板的吸能量更多，吸能能力更强。对于整体塑性能，在冲击的初始阶段V型夹层板的塑性能略高于V-I型和U夹层板，但随着冲击时间的增加，V-I型夹层板的塑性能超越V型和U型夹层板，最终达到最大值。V-I型夹层板比U型夹层板的整体吸能能力提高近1倍，比V型夹层板的整体吸能能力提高约1/3。对于夹芯塑性能，V-I型夹层板夹芯的塑性能从一开始就明显高于U型和V型夹层板，比U型夹层板夹芯的吸能能力提高近1.5倍，比V型夹层板夹芯的吸能能力提高近1倍。通过吸能曲线可以看出，改进后的V-I型夹层板的吸能能力比U型和V型夹层板的吸能能力有显著提高。

3.2 背爆面中心点位移时程曲线

由于夹层板背爆面与舰船内部的人员和设备直接接触，背爆面的动态响应直接影响到舰船内部的人员和设备的安全，因此本文重点考察夹层板背爆面的变形量。而背爆面中心点作为一个典型测点，其位移量可以代表整个夹层板背爆面的最大变形量。因此选取背爆面中心点为考察点。通过背爆面中心点位移时程曲线(图5)可以看出，3种夹层板中心点处的位移曲线先是迅速上升，上升趋势较为接近，经过振荡波动之后稳定在某一值附近。V-I型夹层板的中心位移和V型夹层板的中心位移基本相同，略高于U型夹层板，3种夹层板的中心位移总体来说较为接近。证明V-I型夹层板在吸能能力显著提高的同时结构强度并没有明显减弱。

图5 中心点位移

3.3 S型夹层板吸能模式分析

改进的V-I型夹层板吸能能力得到显著提高，主要原因在于改进后的夹芯中增加了折线结构，因此仅对折线形结构的吸能机理进行分析。分析V-I型夹层板的损伤变形(图6)可以看出，在爆炸冲击的初始阶段，背爆面板和夹芯中的倒V型结构几乎没有变化，夹芯中的折线结构首先发生变形。在冲击波作用下，折线结构折叠压缩产生塑性变形，这一过程可以吸收大量的冲击波能量，减小冲击波对整个结构的冲击。从夹芯塑性能曲线图(图4b)也可以看出，在这一过程中V-I型夹层板的吸能曲线迅速上升，其数值明显高于其他两条吸能曲线。同时，夹心中的倒V型结构可以保证夹层板结构的横向强度，防止夹层板产生大的变形，而且压缩后的折线形结构也具备一定的抗弯能力，这两者共同作用使得夹层板在吸能显著增加的同时整体结构强度并没有减弱。这种组合式的夹芯结构设计，兼顾能量吸收和结构强度，与未改进的夹层板相比具有独特的优越性。

图6 S型夹层板损伤变形图(局部)

计算结果见表1。

表1 数值仿真分析结果汇总

注： “比吸能”是指结构单位质量吸收的能量。

由表1可知，对于整体塑性能，改进的V-I型夹层板比U型夹层板的整体吸能提高87.6%，比V型夹层板的整体吸能提高31.7%。对于夹芯塑性能，V-I型夹层板比U型夹层板夹芯的吸能提高148.3%，比V型夹层板夹芯的吸能提高84.0%。比吸能是指结构单位质量所吸收的能量，由于把结构质量考虑在内，因此比吸能可以更加全面的反映整个结构的吸能特性。V-I型夹层板的比吸能比U型夹层板高77.6%，比V型夹层板高29.8%。由此可以看出，改进后的V-I型夹层板的吸能能力得到显著提高。改进后的V-I型夹层板夹芯的吸能占总吸能的比例(为46.8%)明显高于U型和V型夹层板夹芯吸能占总吸能的比例(分别为35.4%、33.5%)，说明改进的V-I型夹层板的夹芯结构具备更好的吸能能力。在吸能显著提高的同时，3种夹层板的中心位移相差不大，说明改进的V-I型夹层板仍然具有较好的结构强度。

4 结论

改进的V-I型夹层板突破了常规夹层板单一的夹芯结构形式，在不增加结构损伤变形的情况下V-I型夹层板的抗冲击能力得到显著提高。若应用于舰船结构，V-I型夹层板可以通过增加自身吸能来缓冲爆炸冲击波对整个舰船的作用力，减少冲击波对舰船内部结构的冲击，在不增加舰船损伤变形的前提下改善冲击环境，提高舰船对内部人员和设备的防护能力。因此，改进的V-I型夹层板可为新式舰船结构设计提供参考。

后续研究应考虑对其开展极限强度等静力分析以及碰撞、侵彻等其他形式的动力分析，全面研究其力学性能。同时，还应对V-I型夹层板的结构形式和几何尺寸进行改进和优化，分析各几何参数对其抗冲击性能的影响。

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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,硕士生

研究方向：船舶与海洋结构物结构性能

U661.43

A

1671-7953(2017)04-0098-04

修回日期：2016-12-25