夹层板系统碰撞性能数值仿真分析技术

摘要： 为促进夹层板系统（Sandwich Plate System， SPS）在船舶耐撞结构设计中的应用，用Abaqus分析SPS在碰撞载荷下的数值模型化技术，包括夹芯层和面板的建模方式、连接形式和网格尺寸.根据该技术研究SPS在碰撞冲击载荷作用下的力学性能，如结构损伤变形、碰撞力和结构吸能等.结果表明，SPS建模采用壳体混合模型（即上、下面板采用壳单元，夹芯层采用体单元）较合理；夹芯层与面板之间采用绑定连接较合理；SPS具有良好的耐撞性能.

关键词： 夹层板系统；船舶；碰撞；连接形式；耐撞性能

中图分类号： U663；TB115.1文献标志码： B

引言

夹层板系统（Sandwich Plate System，SPS）指由两层钢板及中间的高分子芯材组成的三层结构的复合材料板结构，是一种重要的工程材料.与普通加筋板架相比，SPS具有质量轻、结构形式简单、抗疲劳和抗锈蚀能力强、空间利用率高及制作成本低等特点.SPS采用双层板结构，具有更大的刚度和强度；夹芯层内采用聚氨酯弹力橡胶，可以抑制表面钢板产生的裂纹向纵深扩展，可以隔热防火和预防振动，并可以缓冲冲击波和子弹射击的冲击力.[12]

国内对SPS在爆炸载荷作用下的动态响应开展过研究：黄超等[3]计算、分析在近场水下爆炸载荷作用下普通钢板和SPS的动态响应；任志刚等[4]对聚氨酯泡沫材料夹层板进行爆炸载荷下有限元分析，并与黏钢混凝土板和混凝土板等2种板结构比较，验证聚氨酯泡沫夹层板具有良好的抗爆吸能性能.国外的研究主要为SPS覆盖层在船舶修理和预制SPS在建筑桥梁方面的应用，如在船舶建造中设计SPS在舱口盖、滚装船车辆甲板和单壳体油船等的应用方案.但是，对于SPS在碰撞冲击载荷下的数值模型化技术（结构有限元模型、夹芯层与面板连接形式处理和网格尺寸等），还未见相关研究报道.

本文以SPS为研究对象，用Abaqus分析SPS在碰撞载荷下的数值模型化技术，确定SPS结构（包括芯体和面板）合理的建模方式，分析夹芯层与面板的连接形式以及网格尺寸对SPS碰撞性能的影响；根据数值模型化技术，开展SPS在碰撞载荷下的结构损伤变形、碰撞力和结构吸能等力学性能研究.

1夹层板系统碰撞性能模型化技术

1.1结构有限元模型

1.1.1建模方案