新型复合材料夹芯结构冲击吸能机理与构型优化

Composite sandwich structures were widely used in engineering structures thanks to its high specific strength and good energy absorption properties. However, the traditional sandwich structure shows low shear strength, poor compression behavior and undesirable interfacial debonding problems. Hence, this study proposed innovative spatial lattice-web reinforced sandwich structures, and the controllable design of elastic displacement, plateau stress and densification strain can be obtained by the optimization of configurations to achieve the ideal impact energy absorption properties.. This study focuses on the engineering applications of ship (vehicle) collision, and investigates the impact energy absorption mechanism as well as the optimal design of the new type sandwich structures under low-velocity impact load. The main research contents are as follows: 1) Strain-related constitutive relationships of fiber, foam core and polymer-matrix composite will be studied and established by conducting dynamic tests. 2) The quasi-static compression and impact experiments will be conducted to investigate the mechanism of energy absorption and impact-induced damage. 3) The theoretical model of impact energy absorption and load capacity will be established, and then the post-impact residual mechanical properties of structures will be evaluated. 4) The configurations of the innovative composite sandwich structures will be optimized based on the criteria of the maximum absorbed energy absorbed per volume as well as the load and displacement boundary conditions in order to provide a theoretical foundation for the application of anti-collision.

复合材料夹芯结构具有轻质高强、耗能能力强等特点，在工程结构领域得到广泛应用。针对传统复合材料夹芯结构抗剪抗压强度低、界面易剥离等问题，本课题提出了新型空间格构增强的复合材料夹芯结构，通过合理的构型优化，可实现平台应力、压实应变等关键指标的可控设计，达到理想的抗力和冲击吸能效果。.本课题围绕结构防车船撞击重大需求，开展低速冲击荷载作用下新型复合材料夹芯结构的冲击吸能机理与构型优化研究，主要包括：1）试验研究纤维、泡沫以及纤维增强树脂基复合材料的的动态性能，建立其本构模型；2）试验研究新型复合材料夹芯构件的准静态压缩与冲击性能，研究其冲击损伤及吸能机理；3）建立该复合材料夹芯构件的冲击吸能及结构承载力理论计算公式，并评估冲击后剩余力学性能；4）基于单位体积能量吸收最大化准则，以冲击力和变形等约束条件对新型复合材料夹芯结构进行构型优化设计。课题研究成果为复合材料防撞结构设计奠定理论基础。

本项目自2018年1月启动以来，已按计划正常开展了各项试验研究和理论分析工作，并取得以下成果：.（1）通过改变格构的形状、格构空间布置、设置刚性支撑和填充吸能散粒体，提出了具有线弹性、平台区和密实段三个稳定分区的新型复合材料夹芯结构；基于工业化成型工艺设计制备了双层正交、双层错位、三层错位、六边形蜂窝、梯形格构布置夹芯板和含有钢筋支撑、陶粒填充夹芯筒等多种结构构件。.（2）采用试验、理论和数值方法从材料、构件和结构三层次研究新型复材夹芯结构的吸能特性和损伤机理。通过开展组分材料性能试验、结构的准静态平压试验、侧压试验和冲击性能试验，研究格构类型、格构布置、钢筋支撑、陶粒填充等因素对新型复合材料夹芯结构承载能力、损伤模式和吸能特性的影响，计算并对比分析各结构形式的总吸能、比吸能，探明了冲击力峰值随冲击能量的变化规律，建立了结构等效压缩模量、压缩强度和承载力计算公式。研发过程中，发明了一系列新型复合材料夹芯结构的创新型技术，形成自主知识产权。.（3）基于试验和计算理论，采用数值方法分析格构布置、腹板尺寸、支撑角度、填充料密度等参数对新型复合材料夹芯结构冲击性能的影响，基于多目标粒子群优化算法设计格构构型；基于Bazant尺寸效应律，研究了各新型复合材料夹芯结构构件的尺寸效应。结合工程实例，采用双层错位格构布置设计了块状固定式和筒型自浮式防撞设施，模拟足尺船-防撞设施-桥墩的碰撞过程，结果表明，该结构可以提供良好的缓冲吸能效果，有效保障船桥安全。. 本项目执行期间取得成果有：发表期刊学术论文31篇，其中SCI论文18篇、EI论文2篇；申请并公开国家发明专利9项，发明专利授权2项，实用新型专利授权6项,专著2部。项目研发的高抗力、高耗能的新型复合材料夹芯结构防撞系统，实现了弹性-塑性多级设防目标，具有船-桥双保护显著优势，已成功应用于平潭海峡公铁大桥、常泰长江大桥等多项桥梁工程，具有显著的社会效益和经济效益。