木芯对夹层复合材料潜水器压力壳机械性能的影响

《Marine Structures》：Influence of wood core on the mechanical performance of sandwich composite submersible pressure hulls

本研究采用木沙芯复合材料设计深海压力舱，通过参数优化与有限元分析，对比钢制舱体重量减少40-45%，验证了木材作为核心材料的可行性及安全性。

　　

哈菲兹·穆罕默德·瓦卡斯|赛义德·穆拉瓦特·阿巴斯·纳克维|宣张|孟杰·宋|史东燕

哈尔滨工程大学机械与电气工程学院，中国哈尔滨150001

摘要

本研究旨在确定使用木夹层复合材料制造压力壳体的可行性，以显著减轻重量，相比钢材具有优势。分析了五种木材：竹子、泡桐、轻木、桑树和工程桑树。通过参数研究来最小化重量并提高在静水载荷下的稳定性。夹层复合压力壳体的设计取决于层压层、纤维角度、材料系统、面层和芯层的厚度。本研究通过有限元分析（FEA）进行了参数设计分析，以找出在静水压力下的优化设计方案。使用材料失效标准来检查复合面层的失效情况。整体稳定性通过屈曲系数和最大应力（MS）失效标准进行评估。采用了多种复合面层材料，并使用[0_m/90_n]和[45_m/-45_n]的角度配置作为芯层。采用泡桐芯层和CFRP面层的[45₁₄/-45₁₄₂₈]角度配置时，显示出最轻的重量为11,338公斤，远低于传统钢材压力壳体的约20,000公斤。记录的FS_TW、FS_TH和λ值分别为3.20、2.43和1.44，冯·米塞斯应力为160.75 MPa。面层和芯层的厚度分别为56毫米和140毫米。与钢制壳体相比，实现了40-45%的重量减轻，同时完全满足所有安全要求，从而证实了使用木芯复合材料用于深海压力壳体应用的可行性。

引言

纤维增强聚合物（FRP）具有高强度、设计灵活性、轻质和优异的耐腐蚀性等优异性能，因此在包括海洋、化工、军事和民用基础设施在内的多个领域被广泛用作增强和结构材料。特别是在风力涡轮机、公路桥梁、航空航天和海洋环境等领域的最新工程研究中，越来越重视用传统材料（如钢材和混凝土）难以实现的实际需求。因此，专注于高性能、多功能性和自适应结构系统的FRP研究变得至关重要[[1], [2], [3], [4]]。

复合结构的设计对层压层数量、纤维角度和材料系统非常敏感。对于结构应用，FRP复合材料通常以层压板的形式制造。层压板由相互堆叠的复合层组成。在复合层压板中，每个复合层都标明了其材料、在层压板中的位置以及相对于参考方向的对齐角度。通过将各层堆叠在一起，可以制造出用于结构应用的部件，例如杆、梁、板或壳体，以达到所需的强度和刚度。影响机械性能和特性的因素共有四个：长度、纤维角度的方向、形状和材料。纤维在其所需的方向上具有较高的刚度和强度。可以通过选择每个层压板中的纤维方向角度和层数量来获得特定的强度和刚度。常见的层压板配置有单向层压板[90/90/90/90/90/90]、交叉层压板[0₂/90₂/0/90]、角度层压板[?45/45/?45/45/?45/45]、对称层压板[?45/45]₃、反对称层压板[40/55/75/?75/?55/?40]和平衡层压板[55/?40/75/?75/40/?55] [5]。

在海洋领域，最常用的复合结构是用层压板粘合的复合壳体[[6], [7], [8]]。在外部静水力的作用下，屈曲被认为是潜水压力壳体的主要失效形式。阿列克谢·谢苗诺夫[9]使用玻璃纤维研究了加固了加强件的壳体面板的屈曲效应。乔等人[10]研究了多层缠绕的夹层潜水压力壳体，并研究了其屈曲效应。拉斐尔等人[11]使用了层数和纤维角度的设计变量，以最小化材料重量作为目标函数。优化的约束条件包括重量、屈曲、Puck失效标准、MS和Tsai-Wu。坦圭等人[12]使用玻璃环氧树脂和碳环氧树脂优化了圆柱形壳体的层压结构。优化了五种不同角度的层压参数，主要目标是最大化屈曲压力。哈里斯等人[13]在考虑了Tsai-Wu和最大应力失效要求的情况下优化了复合压力容器。广等人[14]也研究了在静水压力作用下的复合壳体设计优化。为了设计新的水下交通工具，应用了多学科设计优化方法。此外，雅各布等人[15]提出了一种用于层压复合材料的多目标设计优化方法。纤维的方向和体积分数被选为优化的基本参数。

先前的研究表明，当木材与纤维增强塑料（FRP）结合时，可以实现无缝协作。历史上，木材作为复合夹层结构中的芯材料，以极低的制造成本提供了出色的机械性能。哈菲兹等人[16]使用木材作为复合夹层潜艇雷达罩的芯材料，并使用六种不同的木材芯和碳纤维及玻璃纤维面层进行了参数分析。采用Tsai-Hill和Tsai-Wu材料失效标准来观察材料在静水压力下的失效情况。分析中使用了[0_m/90_n和[45_m/?45_n]两种铺层方式，结果表明铺层角度对结构强度有很大影响。哈菲兹等人[17]还在桥梁结构中使用了木材芯，并进行了参数分析，与传统的钢结构相比，木材取得了有希望的结果。哈菲兹等人[18]使用木材作为潜水压力壳体的芯材料，研究了在静水压力下的屈曲和整体稳定性。针对[0_l/90_m/0_n/0_c/0_o/90_p/0_q]的角度配置，优化了木材芯的厚度和层数。研究的主要目标是提高屈曲系数值并降低浮力值。优化设计的约束条件包括Tsai-Wu、Tsai-Hill材料失效标准和屈曲系数。

此外，侯赛因及其同事[[19], [20], [21], [22]]对用于海洋和海上应用的加固和增强复合管柱进行了广泛研究，表明内部加强件、内外钢管的约束以及优化的几何形状可以延缓局部屈曲，提高峰值后的性能并增强能量吸收能力。这些发现强调了在高性能海洋结构构件中定制加固策略的重要性，与本研究关注提高抗屈曲性和整体稳定性的目标一致，也为我们的夹层壳体设计提供了有益的参考。使用夹层复合材料制造压力壳体以实现与传统钢制壳体相比的显著重量减轻是一个迷人的工程挑战。

从上述参考文献可以看出，过去几年在传统钢制压力壳体和复合潜水压力壳体方面做了大量工作。本文将木材引入了复合夹层压力壳体的芯材料中。此外，在较高深度下，屈曲是这类压力壳体的主要失效形式。在本研究中，使用了不同类型的木材（如竹子、泡桐、轻木、桑树和工程桑树）作为复合夹层潜水壳体的芯材料，并进行了参数分析，以确定影响屈曲、稳定性和不同材料失效因素的不同参数。首先，使用ANSYS Composite PrePost（ACP）模块设计了潜水压力壳体的几何形状。作为复合夹层结构的表皮，使用了两种类型的复合层压板：碳纤维和玻璃纤维。我们检查了两种复合材料失效约束：Tsai-Hill和Tsai-Wu。这些约束的值必须大于1，以确保材料的安全性。此外，冯·米塞斯应力必须小于或等于屈服强度。在评估潜水壳体的稳定性时，屈曲系数（λ）作为约束指标，表示结构的不稳定性。λ值大于1表示结构稳定。对以往的研究进行了比较，结果显示我们提出的模型具有优势。

有限元建模

潜水压力壳体的几何形状被随机指定为圆柱形，半径为1370毫米，两端带有半圆形端盖。中间圆柱段的长度为8000毫米，总跨度为10,740毫米（包括半圆形端盖）。在ANSYS WORKBENCH中使用了0.1米的元素尺寸对模型进行离散化。最初使用ANSYS Composite PrePost（ACP）模块来开发模型。

结果与讨论

参数分析的结果如表3所示。表中的结果代表了在确保结构安全的同时实现最小值的最佳配置。第一列包含了作为芯材料的木材种类，接下来的两列指定了用作面层的复合材料。然后提供了各种角度配置。

结论

本研究的目的是确定使用木夹层复合材料制造的压力壳体是否能够显著减轻重量，相比钢制压力壳体。

通过对不同木材芯材料的复合夹层潜水压力壳体进行参数分析，研究了不同的材料失效情况。基于此分析，选择了质量最小的壳体。首先使用了两种角度配置[0/90]和[45/?45]与CFRP。

作者贡献声明

哈菲兹·穆罕默德·瓦卡斯：撰写——原始草稿、方法论、研究。赛义德·穆拉瓦特·阿巴斯·纳克维：验证、形式分析、概念化。宣张：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、数据整理。孟杰·宋：撰写——审阅与编辑、可视化、数据整理、概念化。史东燕：可视化、验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。