典型波纹夹芯杂交夹层结构砰击非线性动态力学行为及失效机理研究

Hybrid sandwich structures with corrugated cores (HSS) are new type structures which may be used in high speed vessels. The mechanical properties of such new structures are rather different from those of the traditional stiffened plate structures. Therefore the nonlinear dynamic responses and failure mechanism of HSS under slamming are key scientific problems to be solved. The primary contents of the proposal include: (1) Load characteristics of HSS under slamming impact. 2) Nonlinear dynamic mechanical behavior and failure mechanism of HSS under slamming impact. 3) Series experiment of HSS models under slamming impact. 4) Failure indicators of HSS due to slamming impact. In the study, 3D multi-phase (air-water-structure) numerical models will be built to simulate the whole slamming process and homogenization method and general differential quadrature method (GDQ) are employed to evaluate the dynamic response of HSS under slamming. The series experiments of HSS models will be conducted to validate the numerical modeling and analytical evaluation. The proposal is new and innovative as such study is firstly proposed and GDQ method is firstly used to analyze the dynamic response of HSS due to slamming. This study will reveal the characteristics of nonlinear dynamic response and failure mechanism of HSS under slamming impact, which have great theoretical and academic value and provide solid basis of their engineering application as well.

典型波纹夹芯杂交夹层结构（HSS）是一种可应用于高速船舶的新型结构形式，其在许多力学性能上与传统加筋板结构有较大不同，其在砰击载荷下的非线性动态力学行为与失效机理是必须要解决的关键科学问题。本项目主要研究内容包括：1）HSS砰击载荷特性研究；2）HSS在砰击载荷下的非线性动态力学行为及失效机理研究；3）HSS砰击载荷特性及非线性动态力学行为系列实验研究；4）HSS在砰击载荷下失效参数表征研究。本项研究拟通过气-液-固精细数值模拟、基于均匀化方法和微分求积法的近似理论估算、以及系列模型试验系统获得HSS的非线性动态力学行为特征和失效模式。项目首次提出开展典型HSS在砰击载荷下的非线性动态力学行为、失效机理以及失效参数表征研究，具有整体创新性。本项目研究将揭示典型波纹夹芯HSS在砰击载荷下的非线性动态力学行为特征及失效机理，具有重要的理论意义和学术价值，并为HSS工程应用奠定理论基础。

V型和I型波纹夹芯杂交夹层结构在许多力学性能上与传统加筋板结构有较大不同，对其开展砰击载荷下非线性力学行为与失效机理研究具有重要的理论意义和应用价值。.本课题主要研究工作包括：.(1) 自主设计制备了用于制造V型和I型波纹夹芯夹层板结构的激光焊接夹具、用于结构填充聚氨酯泡沫的填充夹具以及实现模型入水试验装置，实施了10个激光焊接波纹夹芯杂交夹层平板模型和6个激光焊接波纹夹芯夹层平板模型入水砰击响应实验，实验得到了波纹夹芯夹层平板入水砰击压力、加速度和变形特征，验证了高速入水条件下波纹夹芯夹层平板结构存在的失效模式和数值计算模型的正确性，揭示了砰击载荷下这类结构的失效机理。高速入水砰击实验结果表明，激光焊接波纹夹芯夹层板存在4种破坏模式：1)局部胞元大变形，2)面板整体大变形，3)芯层局部剪切及压缩，4)面板与芯层连接界面的失效。.(2) 针对V型和I型波纹夹芯杂交夹层结构板，建立了考虑气体-液体-结构三相耦合的动力学数值分析模型，获得了在不同入水速度下的砰击压力与结构砰击变形特征，探讨了不同几何参数包括填充材料，填充形式，上下面板及芯层壁板厚度对结构变形以及能量吸收特性的影响。研究表明：填充聚氨酯泡沫对改善芯层屈曲失效、减小触水面板整体变形以及胞元内局部变形均有较为明显的效果。.(3) 基于正交试验设计法和代理模型技术，提出了预报波纹夹芯夹层板入水砰击响应的工程估算方法。.(4) 提出了I型波纹杂交夹层板结构自由振动解析分析方法。所提方法采用高阶夹层板理论时芯层同时考虑面内应力和横向应力，面板采用薄板理论，采用Hamilton原理建立拉格朗日方程，利用李兹法求解运动方程，并通过与有限元数值结果进行对比验证了理论方法的正确性。后续工作将进一步完善夹芯杂交夹层板砰击响应的理论分析方法研究。.本项研究揭示了V型和I型波纹夹芯杂交夹层板结构在砰击载荷下的非线性动力响应特征及失效机理，为其工程应用奠定了理论和技术基础。