复合材料夹层结构在水下冲击波作用下的能量耗散与失效机理研究

Composite sandwich structures are of current interest in fast and stealth marine structures, because they exhibt low weight, low magnetic signature and energy absorption. However, due to experimental difficulties, the dynamic response parameters of composite sandwich structure have never been accurately measured under underwater shock loading. Besides, the energy absorption character and failure mechanism were not investagated systematically. The unclear properties of composite sandwich panels show negative effects on their application to marine structures. In this project, we proposed to measure the dynamic response parameters of composite sandwich panels subjected to underwater shock loading by the combination of non-explosive underwater explosion impulsive loading technology and 3D digital spckle correlation method. For composite sandwich panels, the quantitative relationship between the failure modes and the applied impulse will be obtained. Aimed to reveal the energy absorption and failure mechanism of the composite sandwich panels, we will systematically study the impact of the energy absorption characteristics on the mechanics properties. Based on the above, the failure criterion of composite sandwich panels subjected to underwater shock loading will be established. This project will shed light on the anti-shock behaviors of composite sandwich panels, and will also provide theory and scientific basis for new structure design of naval ships.

复合材料夹层结构具有质轻、低磁和良好的吸能性能，是轻型快速舰艇结构设计中的重要组成部分。但由于实验条件的限制，复合材料夹层结构在水下冲击波载荷作用下的动态力学响应相关参数尚未被精确获得，吸能毁伤特性也未被系统的研究，严重影响了复合材料夹层板在舰艇防护结构中的应用。本项目拟基于非药式水下爆炸冲击波等效加载技术，结合三维非接触式测量方法，实现对水下冲击波作用下复合材料夹层结构动态响应参数的精确测量，给出其典型失效模式与水下冲击波强度间的定量关系；系统研究复合材料夹层结构相关力学性能对其能量耗散的影响规律；进而结合宏观动态测量及细观诊断技术，获得水下冲击波作用下复合材料夹层结构的毁伤机理，并建立相应的失效判据准则。该项目的实施对深入认识复合材料夹层结构的抗冲击防护特性具有重要意义，并将为其在舰艇新型抗冲击防护结构中的设计应用提供理论支持和科学依据。

随着水下兵器的毁伤能力的日益提升，水下爆炸冲击载荷作用下舰艇结构的防护问题已成为防护工程领域的研究热点和难点问题。在此背景下，纤维复合结构以其优异的力学性能获得了相关学者的普遍关注。本项目基于纤维复合材料夹层板的结构特点，针对其在水下冲击波作用下的力学响应、能量耗散及毁伤失效三个方面的问题，利用非药式水下冲击波加载系统结合三维非接触式测量技术，开展了冲击载荷下复合材料夹层结构动态响应特性分析、材料力学性能对结构吸能防护能力影响分析和典型失效及毁伤机理研究。实现了复合材料夹层结构气背面的动态响应参数实时测量，揭示了复合材料夹层结构在水下冲击波加载下的动态响应特性。明确了PVC泡沫芯层力学性能对复合材料夹层结构整体吸能防护能力的影响规律。确定了复合材料夹层结构典型失效模式与水下冲击波强度之间的定量关系，进而结合微观检测技术阐述了水下冲击作用下复合材料夹层结构的毁伤机理，从结构参数的角度提出了碳纤维复合材料夹层结构在水下冲击波加载下的毁伤判据。在此基础上比较分析了碳纤维复合材料夹层结构与轻质铝合金结构的抗冲击防护性能及毁伤失效的差异性，为新型复合材料防护结构的设计应用提供支持。本项目的完成将为舰船水下抗爆抗冲击防护结构的防护性能分析和评估提供科学依据。