重复冲击载荷下船用夹层结构破坏机理研究

船用夹层结构以其优异的力学性能引起了造船界的关注和使用，也是未来舰船建造的主要发展方向之一。船用夹层结构对冲击较敏感，特别是低速重复冲击载荷，极易发生脱层和夹芯剪切破坏，而这些现象往往无明显的表观现象，具有突发性和灾难性。本项目拟基于实验测量高应变率下夹层结构的动态本构关系，通过Hamilton原理建立结构动力学控制方程，考虑损伤对结构响应的影响，结合连续损伤力学中的全解耦与半解耦方法定解重复冲击载荷下船用夹层结构的动力响应。通过瞬态波传播特性及界面应力分布特点，分析结构响应对载荷的反作用及夹层结构的破坏机理；并基于破坏机理的分析结果，提出一种增韧的船用夹层结构，克服传统夹层板易脱层和夹芯剪切破坏的问题，通过与传统夹层板在低速重复冲击载荷的力学性能比较，论证方案的可行性和优势。

船用夹层结构以其优异的力学性能引起了造船界的关注和使用，也是未来舰船建造的主要发展方向之一。船用夹层结构因其结构特点，易发生脱层和夹芯剪切破坏，而这些现象往往无明显的表观现象，具有突发性和灾难性。本项目以钢/聚氨酯夹层结构为研究对象，基于万能试验机和霍普金森压杆实验装置进行实验测量，得到夹层结构的准静态和动态压缩力学性能及破坏机理，建立本构关系模型；基于Hamilton原理和平衡建立了针对船用夹层系统结构特性的结构动力学控制方程，并与多种经典理论和层合板理论进行了比较分析；编程求解夹层结构在不同载荷作用下的变形、动态响应，通过应力波传播特性和面内应力和横向剪切应力分布情况，分析夹层结构的破坏机理；并基于实验测量材料参数，运用有限元软件LS-DYNA对传统加筋板、SPS结构以及SPS加筋板的自由振动和抗冲击性能进行了比较分析，论证夹层结构的优势。考虑夹层结构脱层损伤对结构响应的影响，研究面芯脱层夹层结构在简谐载荷下的动态力学性能，并根据脱层损伤特性，提出了两种金属基增韧的SPS混合夹层板结构。. (1) 得到了船用夹层系统的厚度比为0.6～3范围内的结构准静态压缩应力应变本构关系；基于霍普金森压杆实验装置的高应变率冲击试验，建立了夹层板材料和结构的动态力学性能，分析其敏感性，建立材料和结构应变率相关的动态本构模型。. (2) 提出基于SHPB实验的测定材料吸能效率方法，实现了动态冲击条件下对材料吸能效率的定量分析。实验结果表明SPS的吸能效率高于聚氨酯芯材和CCS-DH36船用高强钢的吸能效率之和，吸能性能优异。. (3) 针对船用夹层板结构的性能，基于能量法和平衡原理建立动力学控制方程，推导和编程实现夹层结构在不同载荷作用下的动态响应解，并对动力学模型的精确度进行了验证比较，给出了针对夹层结构材料构成特点的位移函数和分析模型的适用范围。. (4) 实现了夹层板结构的变形和应力分布规律，通过面内应力和层间剪切应力的分布特征，分析引起结构失效的原因和损伤破坏机理；并基于脱层损伤的机理研究，提出金属夹芯增韧的夹层结构，并对其抗冲击性能进行了仿真分析。. (5) 论证钢/聚氨酯结构在船舶方面的应用，对传统加筋结构，夹层系统以及加筋SPS在冲击载荷下的动态响应进行了比较，完成了夹层板系统和增韧型夹层板结构的优势分析，为夹层结构在船体结构上的进一步应