海洋复合材料夹层结构在双轴压缩和侧向压力共同作用下的渐进失效分析：极限强度与失效模式特征

《Marine Structures》：Progressive failure analysis of marine composite sandwiches under combined biaxial compression and lateral pressure: ultimate strength and failure mode characteristics

本文提出了一种复合 sandwich 结构的渐进破坏分析方法，用于研究双向压缩与侧向压力联合作用下的极限强度与破坏模式。通过120个数值模拟案例，揭示了载荷组合与核心厚度对结构性能的影响机制，验证了该方法的有效性，为大型复合船舶结构优化设计提供理论依据。

　　

郑俊毅|苏一华|袁玉超|唐文勇|王刚

上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海，200240，中国

摘要

随着船舶的大型化和轻量化，复合夹层结构因具有优异的强度重量比和机械性能而广泛应用于船体结构中。在实际的复合船舶中，位于甲板之间的夹层结构通常会受到双向压缩和侧向压力的共同作用。本文提出了一种渐进失效分析方法，用于研究复合夹层结构在复合载荷条件下的极限强度和失效模式特性。共进行了120个仿真案例，考虑了不同的载荷组合和芯材厚度。通过力-端缩短曲线和失效模式展示了数值结果，揭示了双向压缩和侧向压力对失效模式转变机制和极限强度行为的耦合效应。此外，还分析了作为夹层结构关键几何参数的芯材厚度对其影响。研究结果表明，所提出的渐进失效分析方法能够准确捕捉夹层结构的渐进失效特性，为复合船舶的优化设计提供了宝贵的见解。

引言

随着船舶的大型化和轻量化，由于碳纤维增强塑料（CFRP）等先进复合材料的轻质、优异的机械性能、高疲劳强度、良好的阻尼性能和耐腐蚀性[1]，它们在船体结构中的使用越来越广泛。与传统层压材料相比，复合夹层结构由于采用了轻质芯材[2]，具有更低的比重和更强的抗屈曲能力。因此，更坚固的船体和甲板更倾向于采用复合夹层结构，这种结构通常由两层纤维增强聚合物面板、轻质芯材和粘合层组成[3]，如图1(a)所示。

由于复合材料的性能和功能优势，复合船舶通常被设计为双体船或三体船。与单体船相比，双体船和三体船更容易遇到横向弯曲和波浪冲击[4]。在这种载荷情况下，船体的某些关键区域（如甲板之间）可能同时出现纵向压缩、横向压缩和侧向压力。如图2所示，甲板在弯曲和波浪冲击作用下会受到平面内的双向压缩和侧向压力。已有大量研究探讨了海洋结构在复合载荷下的结构强度和失效模式。Fujikubo等人[5]提出了一种简化估算方法，用于评估连续加固板在横向推力和侧向压力共同作用下的极限强度。非线性有限元方法（NLFEM）被用于分析钢加固板在复合载荷下的极限强度和倒塌行为[6]。基于大量的NLFEM结果，Li和Chen[7]利用响应面方法开发了预测钢加固板在复合载荷下极限强度的先进公式。Ma和Wang[8,9]对钢加固板在复合载荷下的极限强度进行了实验和数值研究，并验证了这些经验公式。然而，大多数研究集中在金属加固板上[4]。

复合夹层结构在复合载荷下可能表现出更复杂的失效模式和极限强度特性。如图3所示，平面压缩可能导致屈曲失效，包括整体夹层屈曲或局部面板屈曲（起皱），以及材料失效，包括面板压缩失效和芯材失效[10]。这些失效模式可能同时发生，导致混合模式失效行为。同时，侧向压力可能引起弯曲变形和应力，从而影响各种失效模式。因此，双向压缩和侧向压力对失效模式可能有复杂的耦合效应。这种混合模式失效行为使得使用简单的标准或线性叠加单个载荷效应来预测极限强度变得具有挑战性。

为了解决这个问题，采用了夹层复合材料的渐进失效方法。随着损伤的累积，夹层结构中的纤维增强聚合物和粘合层会逐渐失效，因此采用可靠的渐进损伤模型来准确捕捉失效过程至关重要。对于纤维增强聚合物，Hashin失效准则[11]被广泛用作复合材料渐进损伤分析中的损伤起始准则。基于Hashin准则，Puck和Schürmann[12]结合脆性断裂理论提出了复合材料的矩阵失效准则。通过分析矩阵压缩下的断裂行为，该准则能够预测失效面和相应的强度。Shokrieh等人[13]进一步扩展了Hashin准则，提出了Shokrieh-Hashin准则，该准则能够预测三维空间中的多达七种不同的失效模式。Davila和Camanho[14]发现纤维压缩失效基于弹性纤维屈曲机制，并开发了LaRC03失效准则，这比早期仅依赖最大应力的准则有了显著进步。对于粘合层的损伤起始，Benzeggagh[15]和Kenane提出了基于分层断裂韧性的B-K断裂能量准则。在损伤演化方面，现有理论分为突然刚度退化模型和连续刚度退化模型。突然刚度退化模型无法捕捉复合材料的渐进损伤特性，且非常依赖于网格尺寸和局部几何形状[16,17]。连续刚度退化模型能够更有效地捕捉渐进损伤特性，使仿真结果更加可靠[18]。

以往的研究主要集中在复合材料在复合载荷下的金属加固板或单轴载荷下的复合夹层结构[4,19]上。因此，研究复合夹层结构在复合载荷下的结构响应特性至关重要。本研究旨在探讨复合夹层结构在双向压缩和侧向压力共同作用下的极限强度和失效模式特性。首先，在第2节提出了夹层结构的渐进失效分析模型，并通过三点弯曲试验进行了验证。然后第3节讨论了研究的数值模型细节和设置。第4节分析了数值结果，包括力-端缩短曲线和失效模式。第5节基于数值结果讨论了双向压缩、侧向压力和芯材厚度的影响。最后第6节总结了研究结论。

方法论

由于复合载荷会导致夹层结构逐渐累积损伤和性能下降，因此采用渐进失效模型（PDM）来描述夹层结构的失效行为。本节介绍了PDM的详细构建过程。

数值模型

采用非线性有限元方法（NLFEM）来评估海洋复合夹层结构的极限强度和失效模式。本节介绍了数值模型的详细信息、设置和仿真案例。

数值结果与讨论

完成总共120个案例的仿真后，从力-端缩短曲线和失效模式分析了结果。由于材料之间的性能差异显著，失效模式非常复杂。为此开发了失效模式识别代码和Python程序来自动识别失效模式。

极限强度和失效模式特性分析

提取和处理数值结果后，本节讨论了夹层结构在双向压缩和侧向压力共同作用下的失效模式和极限强度特性。本节将影响因素分为载荷因素和几何因素，讨论它们对极限强度和失效模式的影响。

结论

本文对复合海洋夹层结构在双向压缩和侧向压力共同作用下的极限强度行为和失效模式进行了数值研究，以期为大型复合船舶的强度评估提供基础。为此，通过整合CFRP面板、PVC泡沫芯材和粘合层的本构模型，开发了夹层结构的渐进失效分析模型，并通过三点弯曲试验进行了验证

作者贡献声明

郑俊毅：撰写 – 原始草案，验证，软件，方法论，研究，数据管理，概念化。苏一华：验证，研究，概念化。袁玉超：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论。唐文勇：撰写 – 审稿与编辑，监督。王刚：撰写 – 审稿与编辑，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所述的工作。

致谢

本工作得到了国家关键研发计划的支持。（编号：2022YFB4300101）