周曉松，梅志遠(yuǎn)，張焱冰

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北 武漢 430033)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)物制造技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)40年代，發(fā)展初期的工程應(yīng)用研究曾遍布于航空、航天以及船舶等各個(gè)工程領(lǐng)域。然而，由于早期復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成本較高、剛度特性不足以及低成本制備技術(shù)發(fā)展滯后，在較大程度上限制了船舶大尺度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，使得艦船復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展落后于航空航天領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和低成本制作技術(shù)的高速發(fā)展以及低價(jià)材料力學(xué)性能的不斷提高，復(fù)合材料在艦艇結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用比例不斷增加，并逐步由附體結(jié)構(gòu)過渡到主船體結(jié)構(gòu)應(yīng)用上，尤其是20世紀(jì)90年代后國外大型全復(fù)合材料艦船的發(fā)展勢頭更為迅速。

海軍艦艇與民船的重要區(qū)別之一就是服役環(huán)境復(fù)雜。20世紀(jì)80年代末，隨著精確制導(dǎo)反艦武器技術(shù)以及目標(biāo)特征探測技術(shù)的飛速發(fā)展，艦艇生存能力所受的威脅日益嚴(yán)重。艦艇除了要承受戰(zhàn)時(shí)來自空中或水下反艦武器的爆炸攻擊，在更多非戰(zhàn)時(shí)訓(xùn)練演習(xí)期間，陌生海域或復(fù)雜航行環(huán)境下各種碰撞和擱淺事故時(shí)有發(fā)生，給艦艇結(jié)構(gòu)平臺(tái)的完整性和系統(tǒng)功能的可用性帶來嚴(yán)重威脅。

為了提高艦艇的碰撞防護(hù)能力，學(xué)者們長期致力于發(fā)展各種艦艇耐撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防護(hù)方法方面的研究。傳統(tǒng)的防護(hù)手段主要有兩種：一是加強(qiáng)艇體結(jié)構(gòu)，使其在碰撞載荷作用下仍保持一定的結(jié)構(gòu)平臺(tái)完整性；二是加裝設(shè)備防護(hù)裝置，使艇體結(jié)構(gòu)在水下碰撞載荷作用下，系統(tǒng)裝備仍然能夠保持一定的功能可用性[1]。然而，傳統(tǒng)的防護(hù)手段會(huì)使艦艇重量大幅增加，影響艦艇總體性能。因此，新型艦艇耐撞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要滿足耐撞性能的要求，又不能明顯增加艦艇結(jié)構(gòu)重量。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為艦艇碰撞防護(hù)提供了另外一條途徑，各國研究人員致力于其力學(xué)機(jī)理和分析方法的研究[2-5]。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能已在文獻(xiàn)[6]以及國際會(huì)議[7]中進(jìn)行了綜述，并且對(duì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在各種海軍艦艇中潛在的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。

本文中以艦艇碰撞防護(hù)為背景，從復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)方法、變形損傷機(jī)理、沖擊吸能影響因素、分析研究方法等幾方面，回顧了近期相關(guān)研究進(jìn)展，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行展望。

1 艦艇碰撞問題分析

1.1 艦艇碰撞特點(diǎn)和防護(hù)需求分析

艦艇碰撞是嚴(yán)重威脅艦員生命和裝備安全的災(zāi)難性事故，一般可分為2類：艦艇碰撞和艦艇與固定物碰撞，如圖1所示。

艦艇碰撞最危險(xiǎn)的狀態(tài)通常是撞擊艦艇艏部正撞被撞艦艇舷側(cè)。由于撞擊艦艇艏部的剛度明顯大于被撞艦艇舷側(cè)，所以碰撞能量大都由被撞艦艇舷側(cè)結(jié)構(gòu)吸收，損失也大部分發(fā)生在被撞艦艇舷側(cè)。艦艇與固定物碰撞是指艦艇與橋梁、海洋平臺(tái)或海底礁石發(fā)生的碰撞。由于被撞物體的剛度往往大于艦艇，碰撞能量大都由艦艇結(jié)構(gòu)吸收，損傷通常也發(fā)生在艦艇上。艦艇碰撞事故輕者艇體損壞，重者艇毀人亡，根據(jù)國外(1954-2000年)艦艇事故統(tǒng)計(jì)[8]，其中碰撞事故共計(jì)102起，占事故總數(shù)的42%。

艦艇碰撞事故多在10 m/s左右的速度下發(fā)生，具有低速和高動(dòng)能的顯著特點(diǎn)，常規(guī)艦艇的沖擊動(dòng)能即可達(dá)到200 MJ。艦艇碰撞防護(hù)性能需求大致可分為兩類：一是在保證常規(guī)強(qiáng)度，不增加(或不明顯)增加結(jié)構(gòu)重量的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐撞性能優(yōu)化設(shè)計(jì)即可滿足艦艇結(jié)構(gòu)的碰撞防護(hù)性能需求；二是必須設(shè)計(jì)全新的耐撞防護(hù)功能模塊以實(shí)現(xiàn)艦艇結(jié)構(gòu)對(duì)碰撞防護(hù)性能的特別需求。因此，艦艇碰撞背景下的復(fù)合材料耐撞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是針對(duì)可能發(fā)生的沖擊事件和特定的沖擊能量，通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式使之在較長的沖擊行程中耗散較多的沖擊能，以滿足艦艇的耐撞防護(hù)性能需求，新式耐撞防護(hù)結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)研究近年來受到極大的關(guān)注和重視。

1.2 艦艇碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

提高艦艇結(jié)構(gòu)的耐撞防護(hù)性能可以從2方面著手：一是在材料與結(jié)構(gòu)形式保持不變的情況下，通過對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)部件的幾何尺寸優(yōu)化來增強(qiáng)艦艇結(jié)構(gòu)的耐撞防護(hù)性能[9-11]，王自力等[12]、張延昌等[13-14]提出了基于夾層板的單殼船體結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)方案，有效提高船體結(jié)構(gòu)的耐撞防護(hù)性能；二是采用新的材料或結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)全新的吸能元件和耐撞防護(hù)功能模塊來增強(qiáng)艦艇結(jié)構(gòu)的耐撞防護(hù)性能，田媛[15]等提出了輕質(zhì)波紋夾層板并研究了不同載荷形式下的靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，梅志遠(yuǎn)等提出了輕質(zhì)浮力補(bǔ)償型復(fù)合材料多層陣列結(jié)構(gòu)模塊，有效提高了水下結(jié)構(gòu)平臺(tái)的耐撞防護(hù)能力。

2 低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)方法研究

2.1 主要實(shí)驗(yàn)裝置及測試原理

低速?zèng)_擊通常稱為大質(zhì)量沖擊，Sjoblom等[16]和Shivakumar等[17]定義低速?zèng)_擊發(fā)生的速率范圍為1～10 m/s，應(yīng)力波對(duì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布并未產(chǎn)生顯著作用，可采用國內(nèi)外廣泛使用的落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行模擬，其原理簡單、成本較低、技術(shù)發(fā)展最成熟，能夠較好地模擬復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)常見的低速?zèng)_擊。圖2為一種來自比利時(shí)魯文大學(xué)的落錘測試裝置[18]，這種裝置通常由導(dǎo)軌、落錘、防止二次撞擊的閉鎖裝置、傳感器等幾部分組成。

除了使用落錘式?jīng)_擊設(shè)備外，還有一類模擬低速?zèng)_擊的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)[19]。此外，低速?zèng)_擊試驗(yàn)?zāi)M還可以采用彈射式實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可分為立式和臥式2種，可較好地控制和標(biāo)定沖擊速度，并能到達(dá)較大的碰撞速度。臥式實(shí)驗(yàn)裝置可以濾除慣性力效應(yīng)，更接近實(shí)際的艦艇碰撞。這種裝置比較復(fù)雜，目前只有英國的劍橋大學(xué)、德國的凱澤斯勞滕大學(xué)等少數(shù)研究機(jī)構(gòu)采用這種設(shè)備研究結(jié)構(gòu)件的能量吸收。

2.2 信號(hào)測試及損傷觀測技術(shù)

結(jié)構(gòu)沖擊信號(hào)的測量是沖擊試驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵。自由落體法是計(jì)算落錘沖擊試件瞬間接觸速度最為常見的手段。Reid等[20]采用每秒2 000～2 500幀的高速攝像機(jī)，發(fā)現(xiàn)測得的落錘與試件接觸速度同自由落體法計(jì)算得到的速度非常接近，誤差小于5%。落錘壓縮試件過程中瞬態(tài)沖擊信號(hào)的測量通常選用加速度傳感器，與工作在高頻端的電磁式傳感器和慣性式傳感器相比，加速度傳感器的工作頻帶遠(yuǎn)離它的自振頻率，具有良好的低頻傳遞特性。

沖擊損傷的觀測是沖擊試驗(yàn)的另一個(gè)關(guān)鍵。低速?zèng)_擊試驗(yàn)過程通常在幾十毫秒以內(nèi)結(jié)束，直接觀測復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷演化歷程難度較大。目前，沖擊損傷的觀測方法主要分為無損觀測和破壞性觀測2類方法。無損觀測實(shí)驗(yàn)方法主要包括：X射線照相、超聲波掃描、聲發(fā)射、溫度記錄法、渦流技術(shù)、光纖技術(shù)、全息照相以及高速攝影等[21-22]。破壞性觀測實(shí)驗(yàn)方法主要包括：染色滲透劑法、熱揭層技術(shù)、光學(xué)顯微鏡以及掃描電鏡技術(shù)等[23]。在實(shí)際應(yīng)用中，研究者往往綜合利用以上方法來分析研究結(jié)構(gòu)的變形損傷特征和能量耗散特性。

3 低速?zèng)_擊變形損傷機(jī)理研究

3.1 變形特征模式

變形是復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)吸收沖擊能量的一種重要的途徑。Gibson等[24]最早完善和總結(jié)了準(zhǔn)靜態(tài)載荷下夾層梁的剛度、強(qiáng)度和失效機(jī)制方面的工作，由簡單梁得到了三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲狀態(tài)下夾芯梁撓度δ和壓頭壓力P的關(guān)系：

(1)

式中：L為支撐點(diǎn)之間的跨距，s為載荷之間的距離，KB等效彎曲剛度，KS等效剪切剛度。

Hanssen等[25]研究表明，蜂窩結(jié)構(gòu)和金屬泡沫等塑性可壓縮材料能夠在幾乎恒定的名義應(yīng)力下通過塑性變形來吸收大量的沖擊能量。Fleck等[26]提出了芯層為菱形、六角、波紋形、金字塔式和四邊形蜂窩芯層夾層板的三階段沖擊響應(yīng)模型：(1) 階段I，面層受沖擊；(2) 階段II，芯層被壓縮，載荷傳遞到背板；(3) 階段III，夾層板整體變形與拉伸。此外，F(xiàn)leck等[26]還給出了變形模式與優(yōu)化方法?？偟膩碚f，低速?zèng)_擊載荷下夾層結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為研究很大程度上取決于屈服面的選擇，圖3總結(jié)了常用來分析夾層板和實(shí)體結(jié)構(gòu)大撓度響應(yīng)的屈服準(zhǔn)則，其中：M和N為單位長度的彎矩和膜力，M0和N0為塑性彎矩與膜力。

3.2 損傷失效機(jī)理

目前，損傷失效機(jī)理研究主要集中在外觀損傷、面板芯層損傷等與沖擊能量關(guān)系、殘余抗壓強(qiáng)度的影響因素、損傷擴(kuò)展過程、材料損傷情況與強(qiáng)度變化。破壞模式主要包括整體失穩(wěn)、面板皺屈、芯子局部壓塌、面板破裂、橫向剪切破壞、纖維斷裂及基體開裂等。

Choi等[27]認(rèn)為復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)面板受沖擊后的初始損傷形式是基體裂紋，分層是基體裂紋發(fā)展到一定程度引起的。Chang[28]提出基體裂紋引發(fā)分層是由于界面處層間法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果。纖維斷裂發(fā)生所需的能量遠(yuǎn)高于基體裂紋和分層，通常是災(zāi)難性穿透發(fā)生的預(yù)兆。夾芯層的損傷破壞模式則呈現(xiàn)出多樣性特征，多數(shù)夾芯層材料主要通過塑性段的大變形壓縮損傷來吸收沖擊能量，局部損壞受芯層層數(shù)限制，多層疊加是限制損壞的有效方法。

4 低速?zèng)_擊吸能影響因素

4.1 沖擊體特征參數(shù)

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在艦艇服役周期內(nèi)會(huì)受到不同形狀沖擊體的作用，如半球形、末端平面以及錐形沖擊體等。大量實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，沖擊體的形狀、質(zhì)量和速度會(huì)對(duì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的損傷破壞機(jī)理產(chǎn)生明顯的影響。Lee等[29]研究了不同幾何形狀的沖擊體對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊損傷失效機(jī)理的影響，同時(shí)檢驗(yàn)了不同失效機(jī)理對(duì)能量耗散水平的影響。Mitrevski等[30]利用半球形、尖頂和圓錐錘頭研究了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的沖擊行為?？傮w來說，使用的錘頭越尖銳，材料沖擊破壞范圍越局部化，主要失效模式則由分層轉(zhuǎn)變?yōu)榛w破壞和纖維斷裂。

由于落錘沖擊試驗(yàn)對(duì)測試設(shè)備的特殊要求，為了降低試驗(yàn)成本，近些年來準(zhǔn)靜態(tài)壓入被廣泛應(yīng)用在低速?zèng)_擊領(lǐng)域中代替落錘沖擊。王璐璐等[31]認(rèn)為對(duì)于低速?zèng)_擊過程可以不考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)，準(zhǔn)靜態(tài)壓入分析足以模擬夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊響應(yīng)。低速?zèng)_擊下的沖擊力-位移關(guān)系與準(zhǔn)靜態(tài)下的沖擊力-位移關(guān)系幾乎沒有差別。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2.1材料體系力學(xué)性能

(1) 纖維抗沖擊特性

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，各種高性能纖維相繼被開發(fā)出來應(yīng)用于抗沖擊領(lǐng)域。夏軍佳等[32]對(duì)纖維力學(xué)性能與抗沖擊性能之間的關(guān)系開展了一系列研究，研究結(jié)果表明抗沖擊纖維的關(guān)鍵性能參數(shù)纖維能量吸收率和沖擊能擴(kuò)散速度只跟其強(qiáng)度與伸長率有關(guān)，儲(chǔ)存在纖維中的彈性能是評(píng)價(jià)復(fù)合材料抗沖擊性能的重要參數(shù)之一，且適用于任何種類的纖維材料。芳綸纖維具有最大的變形能和斷裂能，其次是玻璃纖維，碳纖維最小。纖維強(qiáng)度越高，能量吸收率越高，因而盡量提高纖維的強(qiáng)度是提高防護(hù)結(jié)構(gòu)耐撞防護(hù)性能最有效和最關(guān)鍵的途徑。而伸長率的選擇則須結(jié)合匹配樹脂的斷裂伸長率，并以實(shí)際的抗沖擊效果為唯一選擇標(biāo)準(zhǔn)，幾種典型抗沖擊纖維的基本性能如表1所示。

由于不同纖維的抗沖擊性能各具特點(diǎn)，因而在艦艇耐撞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可根據(jù)不同纖維的特點(diǎn)進(jìn)行混雜設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的最優(yōu)化。王亮亮等[33]采用自行研制的擺錘式?jīng)_擊拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維和PBO纖維絲束及其混雜絲束進(jìn)行了沖擊拉伸試驗(yàn)，得到混雜纖維絲束斷裂吸能和斷裂強(qiáng)度隨纖維混雜比變化的規(guī)律。嚴(yán)文聰?shù)萚34]從混雜比、混雜方式和界面三個(gè)方面分析了影響纖維混雜復(fù)合材料性能的因素,并介紹了纖維混雜復(fù)合材料在沖擊性能、剪切性能、壓縮性能、熱性能、聲學(xué)性能、透波性能方面的研究進(jìn)展。

(2) 基體抗沖擊特性

目前，抗沖擊復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)所采用的樹脂基體主要有熱固性和熱塑性2種，前者通常包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和乙烯基酯樹脂等，后者則包括聚醚醚酮、尼龍和烯烴類樹脂等。

熱固性樹脂具有良好的濕熱性能，但是脆性特點(diǎn)使其抗裂紋擴(kuò)展能力較弱，通常在熱固性樹脂中添加橡膠或熱塑性顆粒以改善層間斷裂韌性。熱塑性樹脂具有韌性好和抗疲勞性高的優(yōu)點(diǎn)，但低的熱穩(wěn)定性和差的耐化學(xué)品性以及弱的纖維/基體界面阻礙了其在結(jié)構(gòu)抗沖擊領(lǐng)域的應(yīng)用。大量復(fù)合材料體系實(shí)驗(yàn)研究表明，復(fù)合材料的沖擊損傷與樹脂韌性密切相關(guān)。Gottesman等[35]使用不同基體樹脂制備了復(fù)合材料。結(jié)果表明，在相同的沖擊能量水平下，脆性環(huán)氧(3502)基復(fù)合材料中產(chǎn)生的損傷要遠(yuǎn)高于韌性基體(F155)復(fù)合材料和熱塑性基體(PEEK)復(fù)合材料。此外，樹脂還選型需要考慮與纖維的斷裂延伸率匹配，提高復(fù)合成型后的整體抗沖擊性能。

表1 典型抗沖擊纖維力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of typical impact-resistant fibers

(3) 夾芯層抗沖擊特性

目前，研究中的夾芯層材料種類繁多，尚未有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。按夾芯層抗彎剛度強(qiáng)弱可分為剛夾芯、柔夾芯、半剛硬夾芯。按夾芯層數(shù)量可分為單層、多層。根據(jù)夾芯層材料的種類，可將當(dāng)前主要的夾芯層材料分為泡沫鋁夾芯材料、金屬型材夾芯材料和聚合物泡沫夾芯材料。

楊永祥等[36]的研究表明，蜂窩式夾層結(jié)構(gòu)在橫向沖擊載荷作用下具有穩(wěn)定的壓潰載荷和較長的有效行程。王章忠等[37]的研究表明聚氨酯泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)具有較好的抗沖擊性能和環(huán)境協(xié)調(diào)性。綜合分析可知，夾芯材料是一種性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)復(fù)合型材料，具有結(jié)構(gòu)和功能一體化的特點(diǎn)。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中空芯層可為設(shè)計(jì)提供空間，如聚合物填充能衰減沖擊波透射、粘性物質(zhì)填充能增強(qiáng)阻尼、泡沫填充能增強(qiáng)緩沖、增強(qiáng)技術(shù)能增強(qiáng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)層間強(qiáng)度、損傷容限及能量吸收性能等。常見夾芯層材料的力學(xué)性能參數(shù)如圖4～6所示。

4.2.2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)

目前，有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)沖擊性能影響的研究主要集中在面板芯層厚度、芯層密度、芯層材料、內(nèi)部芯層結(jié)構(gòu)形式、曲率等方面。Wang[38]對(duì)紙蜂窩夾層板的沖擊行為及吸能進(jìn)行動(dòng)態(tài)緩沖實(shí)驗(yàn)，研究表明增加芯層相對(duì)密度，能量吸收線性增加。Park等[39]通過評(píng)價(jià)碳/玻璃和環(huán)氧基樹脂2種面板類型的Nomex蜂窩芯層夾層結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊損壞抵抗力，得到面板剛度越低，芯層厚度對(duì)抵抗力影響越大。Shin等[40]對(duì)纖維加筋層壓復(fù)合板及金屬鋁面板蜂窩芯層夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行的低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明失效非常依賴于芯層的面板材料，編織玻璃/環(huán)氧基樹脂面板較金屬面板沖擊抵抗力更好。Fan等[41-42]對(duì)單層和多層編織物夾芯板準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)的失效機(jī)理和能量吸收能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)多層夾芯板的變形為單層夾芯板變形的復(fù)合模式，其能量吸收能力也得到極大的增強(qiáng)，顯著優(yōu)越于等質(zhì)量的單層夾芯板。

4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)用環(huán)境因素

艦艇復(fù)合材料耐撞防護(hù)結(jié)構(gòu)在長期的服役過程中要經(jīng)歷復(fù)雜的海洋環(huán)境作用，如高溫、低溫、濕熱、熱循環(huán)、微生物、海水腐蝕等。Hale等[43]對(duì)溫度和濕度對(duì)復(fù)合材料低速?zèng)_擊性能的影響進(jìn)行研究，認(rèn)為高溫會(huì)在增加材料吸濕率的同時(shí)，導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度下降，而吸濕率的增加則加劇了這種強(qiáng)度和剛度的損失。劉紅影等[44]使用使用改裝后的落錘測試裝置在-50～120 ℃對(duì)凱夫拉/玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了8、15和25 J不同能量的低速?zèng)_擊測試。實(shí)驗(yàn)研究表明，在這些環(huán)境的作用下，結(jié)構(gòu)材料體系的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生顯著的下降甚至失效，因而有必要分析材料級(jí)到結(jié)構(gòu)級(jí)復(fù)合材料制品在特定海洋服役環(huán)境中的抗沖擊性能，才能為復(fù)合材料耐撞防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造與使用維護(hù)提供最真實(shí)的依據(jù)。

5 低速?zèng)_擊性能分析方法研究

5.1 信號(hào)數(shù)據(jù)分析

在低速?zèng)_擊領(lǐng)域比較常用的一種數(shù)據(jù)分析方法EPM(energy profiling method)，如圖7所示。圖7中的能量輪廓曲線由AB、BC和CD等3部分組成。AB區(qū)域代表了結(jié)構(gòu)未侵入?yún)^(qū)，在AB區(qū)域內(nèi)能量吸收曲線在等能量線下面，表明存在額外沖擊能Ee，它可以被受沖結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)起來并作為沖擊體(落錘)從試件表面反彈的能量。BC區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)被侵入?yún)^(qū)域范圍，在此區(qū)域內(nèi)全部的沖擊能量被試件吸收。CD區(qū)域代表了被貫穿的結(jié)構(gòu)試件。B和C分別是侵入閾值和貫穿閾值。

低速?zèng)_擊下夾層結(jié)構(gòu)的吸收能量可以通過載荷位移曲線獲得，同時(shí)通過載荷-位移曲線的形狀來初步判斷結(jié)構(gòu)在是否發(fā)生貫穿破壞，典型的載荷-位移曲線如圖8所示。圖中陰影面積代表了低速?zèng)_擊過程中結(jié)構(gòu)試件吸收的能量。開放式的載荷-位移曲線在結(jié)尾處存在一個(gè)水平斷面，為了確定低速?zèng)_擊過程中真正吸收的能量，需要將貫穿后的部分從曲線中移除，因此曲線的下降段被延長到位移軸線。出現(xiàn)沖擊體反彈現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)試件擁有閉合曲線，吸收的能量可以用沖擊體初始的能量減去反彈后的能量計(jì)算出來。

5.2 數(shù)值模擬分析

為了降低沖擊實(shí)驗(yàn)的成本和時(shí)間，人們開始使用數(shù)值模擬技術(shù)來預(yù)測復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的損傷擴(kuò)展和演變規(guī)律，圖9為運(yùn)用ABAQUS有限元模擬分析軟件模擬的復(fù)合材料多層陣列耐撞防護(hù)結(jié)構(gòu)模塊低速?zèng)_擊響應(yīng)特征。常用的有限元軟件包括：ABAQUS、ANSYS、PAM-CRASH、DYNA3D、MSC/NASTRAN/DYTRAN等。綜合近年來的數(shù)值研究成果，大致可分為下列2種類型：一是細(xì)觀損傷與破壞模擬方法，二是宏觀失效與吸能能力模擬方法。

楊慶生等[45]利用界面斷裂力學(xué)和有限元法數(shù)值模擬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的細(xì)觀損傷過程，研究各種主要破壞模式之間的相互轉(zhuǎn)變和影響，指出以斷裂能和混合度表示的界面性能是控制復(fù)合材料損傷過程的主要細(xì)觀參數(shù)。劉瑞同等研究了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐撞性能數(shù)值模擬的策略和方法，認(rèn)為采用有限元方法分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的碰撞過程時(shí)，應(yīng)更多地關(guān)注結(jié)構(gòu)的宏觀破壞模式和力學(xué)響應(yīng)，而不考慮結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的微觀破損模式。因此，必須解決下面的兩個(gè)問題：選擇合適的材料模型描述破損后材料的力學(xué)性能，如彈塑性材料模型等；選擇合適的破壞準(zhǔn)則。

5.3 理論模型分析

現(xiàn)階段各國研究人員對(duì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊性能研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方面。由于復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)變形和失效過程中面板和芯層耦合作用復(fù)雜，沖擊損傷理論和力學(xué)響應(yīng)分析模型研究工作還有待一步加強(qiáng)。

目前，沖擊損傷理論研究主要包括沖擊過程的應(yīng)力分析和失效分析2個(gè)方面[46-47]。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊響應(yīng)過程是瞬態(tài)的，且材料和結(jié)構(gòu)存在非線性特征，應(yīng)力分析概括起來可分為準(zhǔn)靜態(tài)分析方法和動(dòng)力分析方法2類[48-49]。準(zhǔn)靜態(tài)分析方法的優(yōu)點(diǎn)是提高了計(jì)算效率，但其可靠性難以保證，更多研究人員采用動(dòng)力分析方法[50]?；谌S模型的動(dòng)力學(xué)分析法能較好的描述復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊載荷作用下的實(shí)際響應(yīng)過程。損傷失效分析目前主要有3類方法。一是通過試驗(yàn)測得損傷破壞的單一參數(shù)臨界值或稱閾值，作為理論分析中的失效判據(jù)。該法未考慮損傷引起因素的多樣性，在實(shí)際應(yīng)用中較少采用。二是采用多項(xiàng)式失效準(zhǔn)則。許多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)與理論研究，提出了自己的經(jīng)驗(yàn)公式作為失效判據(jù)，是目前應(yīng)用最多的失效分析方法。三是采用應(yīng)變能釋放率來分析預(yù)測沖擊損傷擴(kuò)展。

由于復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)材料體系和結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性，低速?zèng)_擊載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)模型研究可作一定簡化與假設(shè)。依據(jù)能量平衡原理、哈密爾頓原理、剛塑性理論及非線性高階夾層板理論，通常建立彈簧/質(zhì)量模型和能量平衡模型對(duì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊響應(yīng)進(jìn)行描述，并采用不同方法共同求解。在彈簧/質(zhì)量模型中，需考慮彎矩、剪力和膜力的共同作用，接觸彈簧表征了結(jié)構(gòu)的橫向載荷/變形行為，通過求解系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程便可以得到完整的力/時(shí)間關(guān)系。但現(xiàn)有的分析模型大多局限在彈性變形范圍內(nèi)，未考慮損傷演化過程，忽略了芯層的可壓縮性以及面板的大變形。為此，Olsson等[51]基于板的大撓度理論和芯層屈服條件預(yù)測了夾芯板的沖擊響應(yīng)。而在能量平衡模中，假定結(jié)構(gòu)一旦達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)行為下的最大撓度，沖擊體就停止加載，所有的初始動(dòng)能均轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的變形能，沖擊體的動(dòng)能等于由于接觸、彎曲、剪切和膜力變形的能量之和。利用這種方法，Hassan等[52]研究了鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低速?zèng)_擊下的準(zhǔn)靜態(tài)假定是有效的，且能量平衡模型能較好地描述夾層結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)。但是能量平衡模型局限于彈性響應(yīng)范圍，并未考慮能量耗散。此模型不適用于沖擊速度較高時(shí)芯層發(fā)生破壞(如孔壁屈曲、芯層壓縮等) 的夾層結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。此外，該模型僅能預(yù)測出最大沖擊力，不能給出其載荷-時(shí)間關(guān)系。

6 展 望

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)為艦艇耐撞防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)理念，而不僅僅是一種結(jié)構(gòu)形式。隨著新型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)、材料體系的精細(xì)化與復(fù)雜程度的提高，未來需要解決的問題有。

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系。由于應(yīng)用背景的特殊性，艦艇復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在載荷形式、結(jié)構(gòu)特征、材料選用體系、功能需求、設(shè)計(jì)方法、破壞與失效機(jī)理以及設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)等諸方面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和技術(shù)瓶頸較為突出，正確認(rèn)識(shí)和充分把握艦艇復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型特征，科學(xué)合理地建立艦艇復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)體系是非常必要和迫切的。

(2)等效分析方法?，F(xiàn)階段復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊問題研究大多集中于梁、板等簡單結(jié)構(gòu)。主要原在于分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性，且因其特殊的變形機(jī)制，模擬代價(jià)較高。因此，復(fù)雜結(jié)構(gòu)等效分析方法的建立和計(jì)算效率的提高成為結(jié)構(gòu)抗沖擊性能分析的關(guān)鍵，也是未來研究的重要方向。

(3)多尺度計(jì)算方法。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)芯層單元尺度與艦艇尺度相比有數(shù)量級(jí)的差異，要想盡早在艦艇上實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，必須要更深入了解其低速?zèng)_擊響應(yīng)模式并掌握多尺度計(jì)算分析方法。

(4)結(jié)構(gòu)功能性設(shè)計(jì)。耐撞防護(hù)功能只是復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)優(yōu)良特性中的一種，為了能夠?qū)?fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的隔聲、隔熱、隔振等特點(diǎn)充分發(fā)揮，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行功能性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)層次功能性，獲得更好的綜合力學(xué)性能。

(5)實(shí)驗(yàn)測試方法。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的理論研究離不開可靠、高效的實(shí)驗(yàn)手段和測試方法，它在探索復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的損傷產(chǎn)生和擴(kuò)展機(jī)理，分析破壞模式以及驗(yàn)證各種假設(shè)的正確性中將起到重要的作用。

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