复合材料波纹夹层结构砰击损伤演化机理及剩余强度研究

Composite sandwich structures with corrugated cores are widely applied in the fields of naval vessels with their lightweight, large-scale and high-speed development. However, damage induced by the slamming loading has become particularly important for composite structures. From the perspective of multi-crack damage extension, a multi-crack progressive damage model of composite matrix is established based on the multi-scale damage method. A numerical model is constructed according to the knowledge of the progressive damage model, ABAQUS secondary development, Euler-Lagrange algorithm, and full-range analysis technique. Then, the numerical model is used to accurately forecast the slamming-induced damage and residual bearing capacity of the composite corrugated core sandwich structure. Afterwards, dynamic responses and failure modes of the sandwich structure under slamming loading will be investigated systematically according to model experiments. Finally, a hydroelastic theory analysis method is established for slamming strength assessment of the composite corrugated core sandwich structure. The project systematically investigates the damage evolution behavior and residual bearing characteristic of the composite corrugated core sandwich structure, and ascertains the influence rules of failure modes and residual compression/bending strengths for sandwich structures under slamming loading. It reveals damage evolution mechanism and compression/bending transmission mechanism of sandwich structures under slamming loading, which can provide theoretical guidance and technical support for the damage tolerance design of ship and ocean engineering structures and the residual strength assessment of in-serve structures.

随着舰船的轻量化、大型化和高速化，复合材料波纹夹层结构在舰船领域的应用前景日渐广阔，然而船舶在波浪中航行时不可避免地会出现砰击现象，使得复合材料的砰击损伤问题尤为突出。本项目从多裂纹损伤扩展的角度，采用多尺度损伤方法建立复合材料基体多裂纹渐进损伤模型；综合运用该模型、ABAQUS二次开发、欧拉-拉格朗日算法和全过程分析技术，建立复合材料波纹夹层结构砰击损伤及剩余强度预测的精细化数值模型，实现其砰击损伤的精准预报；结合模型实验，研究结构入水砰击的动态响应和破坏模式；构建波纹夹层结构的水弹性理论分析方法，实现其砰击强度的快速预报。该项目旨在研究复合材料波纹夹层结构的砰击损伤演化行为及剩余承载特性，探明砰击载荷对结构失效模式及剩余压缩/弯曲强度的影响规律，揭示结构的砰击损伤演化机理及压缩/弯曲传载机制，为船舶与海洋工程领域复合材料结构的损伤容限设计及在役结构的剩余强度评估提供理论指导和技术支撑。

随着舰船的轻量化、大型化和高速化，复合材料波纹夹层结构在舰船领域的应用前景日渐广阔，然而船舶在波浪中航行时不可避免地会出现砰击现象，使得复合材料的砰击损伤问题尤为突出。为了探究动态载荷下复合材料夹层结构的力学特性，本项目从多模式损伤扩展的角度，建立了复合材料多模式渐进损伤及演化理论模型；综合运用该模型、ABAQUS二次开发、欧拉-拉格朗日算法和全过程分析技术，建立复合材料波纹夹层结构砰击损伤及剩余强度预测的精细化数值模型，探明了砰击速度、底部斜升角和波纹方向对夹层结构砰击动态响应和渐进失效行为的影响规律，阐明了砰击载荷下夹层结构的多模式失效机制和损伤演化机理；在实验部分，对不同冲击能量、不同冲击形式下不同结构型式夹层结构进行了完整的、体系化的实验研究，探明了不同动态荷载下夹层结构的损伤模式及演化机制；进而开展了含损伤夹层结构的剩余弯曲特性研究，探明了损伤程度对结构剩余强度和失效模式的影响规律，揭示了含损伤结构的损伤演化机理及弯曲传载机制，验证并完善所提出的数值计算模型，实现含损伤结构剩余承载特性的精准预报。最后，利用开发的程序系统研究了由夹层结构组成的舱段在砰击载荷下的变形响应和损伤机理，并探索了外板厚度和芯子厚度对舱段抗砰击性能的影响规律，揭示了不同填充形式和加筋形式下夹层结构的变形模式和失效机理。该项目研究了复合材料波纹夹层结构的砰击损伤演化行为及剩余承载特性，探明了砰击载荷对结构失效模式及剩余压缩/弯曲强度的影响规律，揭示了结构的砰击损伤演化机理及压缩/弯曲传载机制，为船舶与海洋工程领域复合材料结构的损伤容限设计及在役结构的剩余强度评估提供理论指导和技术支撑。在该项目的资助下，以第一/通讯作者发表SCI论文22篇，授权国家专利3项，受理国家发明专利2项，出版学术专著1部；培养博士研究生2人，硕士研究生13人。项目按计划完成全部研究内容和成果指标。