英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
夹层板在砰击载荷下的动力响应的实验和数值仿真研究
O.H.Hassnoon, M.Tarfaoui, A.EIMalki, A.EI Moumen
摘要：由于夹层结构具有良好的力学性能，例如较高的重量/强度比，它们已在船舶工程中被广泛地应用。然而，这些结构的破坏机理对局部和整体的动态响应有重要影响。本文利用实验和数值仿真方法研究了夹层板的砰击动态响应，夹层板的面板为聚氯乙烯，芯层为PVC泡沫。实验中使用了高速冲击机进行恒速入水冲击。从水动力荷载、动态变形和破坏机理等方面分析了夹层板在不同冲击速度下的动态承载能力。另一方面，在 Abaqus / Explicit 软件中建立了入水砰击数值仿真模型，该模型的分析中使用了基于欧拉-拉格朗日混合算法的流固耦合法。此外，在数值模型中加入了不同的损伤模式，包括层内损伤、面板/芯层脱落和芯层剪切，以覆盖整个结构中所有可能的损伤模式。在 VUMAT 子程序中定义并整合了两种失效准则（复合材料层合板Hashin准则和夹层结构芯层Christensen准则）。另外，采用粘聚区模型对面板/芯层脱落进行了预测。在水动力载荷和损伤预测方面，数值计算结果与实验结果具有较好的一致性。
1. 引言
复合材料在过去十年的快速发展促进了这些材料在海军结构中的应用，因为它们具有重量轻、强度和刚度密度比高等特点。基于上述原因，许多研究人员已经研究了它们的力学行为，以确定它们全生命周期的性能和可靠性。因此，这有助于船舶设计人员在提出最终设计载荷之前估计和确定水弹性效应和损伤机理。了解复合材料在砰击载荷作用下的损伤机理，对于复合材料在海军中的应用和预测结构中的危险位置具有重要意义[1]。复合材料的损伤在设计和使用两个阶段都需要特别注意。因而在设计荷载中加入损伤容限作为安全系数[2,3]。
在流固耦合作用中，刚性结构与可变形结构的主要区别在于沿流固界面存在水弹性影响。这就解释了为什么船体的弹性对这些结构的设计有重大影响，因为这可以改变流体-结构相互作用时的行为[4,5]。为了评估夹层结构的损伤，Charca和 Shafiq [6,7]利用试验方法研究了单次和重复砰击作用下的动态响应问题。他们在砰击过程中发现，当应变阈值超过0.35%时发生完全失效，并且弯曲承载力略有下降。与此相反，随着反复砰击而发展的损伤，尤其是面板-芯层的脱落和面板的局部屈曲，是结构响应的主要形式。Kaushik和Batra [8]在LS-DYNA中用Multi-materials Eulerian Lagrangian模型对刚性和可变形的船体结构的砰击冲击进行了研究。他们假设流体是可压缩的，并考虑了流体和固体的惯性效应，在研究板的变形时，考虑了所有的几何非线性。结果表明，变形板的压力不同于板理论和Wagner理论，由于水弹性的影响，变形板边缘附近产生较高的压力，导致在面板 / 芯层夹层结构的界面之间产生较高的剪应力。且湿板表面的压力分布是振荡的。Alle和Battley [9,5] 对高速艇上复合材料板的流固耦合水弹性效应进行了实验研究。板的柔度对总的力有影响，在刚度较低的板中出现较高的峰值力，这可以归结为水弹性效应。Xiao和Batra [10]基于边界元法和有限元法对复合材料平面和曲面夹层结构的入水问题进行了研究。他们运用三阶剪切和法向变形板壳理论(TSNDT)实现了两模型之间的耦合，并在开始和传播时使用内聚区模型实现了层间损伤。Erchiqui等人[11]利用流体与结构的相互作用揭示了聚合物膜的特征。数值计算的结果与实验结果相比较，表现出了令人满意的相关性。计算结果还表明，对于流固耦合问题，ALE理论的精度最高。
本文采用实验和数值模拟相结合的方法研究了聚合物面板 / 聚氯乙烯泡沫夹芯板在水冲击下的动态响应特性，分析了在大范围恒速条件下的流体动力、平板变形和损伤特性。这有助于结构设计人员预测这一类型结构的动态响应和评估其破坏机理。
2. 材料和实验装置
本实验使用具有速度控制系统的高速冲击机(伺服试验机) ，以在整个入水冲击过程中校准并保持速度近似恒定，实验装置如图1所示。该试验机的性能明显优于传统的机器，因为冲击力可以达到100kN(200kN)以上，速度可以达到20m / s (10m / s)以上。夹持装置由355S钢制成，重量为58.5kg，固定在液压活塞上，夹层板总重量为6.8kg。机器设有长3米，宽2米，深2米的水箱，以避免在外部水槽边界处产生反射波。需要注意的是，水箱的有效水深为1.1m，以便进行测试。
如图2a 所示，用安装在机器活塞上的力传感器测量冲击力。用Photron FASTCAM (SA-X2)高速摄影机拍摄砰击过程，获得水流图像，以此分析砰击过程中的流固耦合现象。实验仪器的更多细节可以在我们以前的工作中找到[12,13]。实验使用的楔形体由两块尺寸为500times;250times;27mm的夹层板构成，因为复合材料船体的边界条件通常也是完全固定，所以边界条件为完全固定。用于实验的楔形体仰角在5。-20。时，水弹性影响最大，当仰角达到30。时，就表现为刚体。因此，在本次研究中，所有用于实验的平板都有一个10。的仰角。值得注意的是，角度10。的选择取决于机器的承载能力和他们的设备。如图3所示，面板沿跨度方向在5个不同位置安装了应变片(SG) ，以便直接测量结构的响应和覆盖振型的固有频率。夹层结构由聚合物面板和聚氯乙烯泡沫芯层组成。这些材料的静态特性已经在前期工作中给出[16,17]。面板力学性能的详细情况见表1。
3. 实验结果
3.1动态响应
用如图2所示安装在机器活塞上的力传感器测量冲击力，由于这个传感器的位置，因此所测得的力并不代表真正的撞击平板的水动力，因为夹持装置和平板的惯性力导致了总的水动力有一些变化。为此，用一个加速度计(型号 EGAS-FS-250 / V12 / L8M / X)来测量夹层板的加速度。因此，水动力可以通过冲击力减去惯性载荷的影响(夹持装置和复合板)来确定。实验进行了多次来重复测量水动力，如图4所示，所有的实验都表现出了很好的可重复性。对于每块面板，都进行了速度从4m/s至10m/s的砰击。从这个图上可以看出，不同速度下的曲线，呈现出近似相同的变化趋势。结果表明，结构的柔度对动力噪声有很大的影响，这可以归结为运动水弹性效应，如沿流固耦合界面局部静止角和面板挠度的变化。此外，当速度范围在4-8m/s内时，这些板材表现出类似于刚体的低水弹性效应。
如图5所示，试验结果表明，夹层板的变形响应对结构荷载很敏感。而且，应当注意的是，当冲击速度小于10m/s时，夹层板有相似的变形响应曲线且发生弹性变形，但当速度达到10m/s时，应变片（GE）的变形响应出现突变并迅速增大。这表明板的变形超过了板的弹性极限，夹层板出现了损伤。事实上我们可以注意到，应变片B、C、D有着几乎相同的变形率，这表明夹层板没有发生三维变形。面板宽度方向上的所有点都有着相同的变形，然后观察到了相同的应变。
3.2损伤评估
确定夹层板的损伤模式对船舶结构设计，尤其对预测砰击载荷下的结构性能具有重要意义。夹层板的主要损伤模式包括面板失效、面板/芯层脱落和芯层剪切破坏。芯层剪切破坏和内表面脱落（面板/芯层）是夹层结构在动载荷作用下的常见损伤模式。
试验结果表明，当冲击速度为10m/s时，损伤开始产生。图6所示的是在10m/s的速度下，板砰击过程的快照（从接触点t=0开始）。我们可以从图中观察到夹层板的损伤发展历程和水花飞溅的高度。损伤首先出现在面板两端的夹持区域，然后向芯层发展。芯层剪切破坏导致断裂模数减小，使沿着界面（面板/芯层）的法向应力和剪切应力增加。正如以前的研究所提到的那样[18]，芯层断裂导致界面逐渐分离。有关砰击试验和损伤演变的更多情况，请参见视频1。
图7是撞击后受损夹层板的全局照片。失效模式分为不同的形式，包括芯层和面板的分离、微小裂纹和剪切力引起的芯层扩展裂纹。失效总是发生在最弱的区域，而在中性面以上和以下，结构发生较大变形，因此导致芯层出现较大的弯曲拉伸剪应力和压缩剪应力。所以裂纹不易通过厚度方向垂直传播。而且因为面板和芯层剪切应力的巨大不同，裂纹以一个倾斜的角度扩展。另一方面，由于芯层的剪切应力比法向应力大，因此导致芯层失效。
4. 本构模型和有限元分析
在ABAQUS中利用有限元显式分析法和基于集中质量矩阵的中心差分法进行砰击问题的数值仿真，而基于集中质量矩阵的中心差分法可以轻易确定任意时刻的加速度。上述方法对解决时间极短的不连续问题和涉及高应力波传播的问题更为有效，比如自由落体试验和砰击问题。同时假设仿真中流体是不可压缩的，自由表面最初是静止的。本次仿真采用的是欧拉-拉格朗日混合算法的流固耦合法(CEL)，因为它可以在单次计算中同时对结构和流体进行计算处理。而且，它还被开发用于模拟水域和允许大变形的流体域，不过使用起来有一些困难，例如: 为了得到精确的解析解，需要耗费大量的计算时间，且需要在冲击区域附近增加网格密度。同时它也与耦合算法的参数设置有关。
Abaqus/Explicit的欧拉-拉格朗日混合算法的流固耦合法(CEL)可以使用多个结合了拉格朗日和欧拉特性的材料模型。而流体体积法则是流体力学和固体力学中解决一系列非线性问题的有效方法，因为它允许任意的大变形，使得自由表面能够自由变形[19]。状态方程（EOS）则可以用Mie-Gruneisen状态方程中的“US-UP”线性叠加得到，该状态方程可用于解决入水问题。通过将压力(P)定义为密度(rho;)和单位质量内能(Em)的函数，状态方程表达式如下:
其中，Us, Up, C0 和 s=dUs/dUp分别为冲击速度、粒子速度、声音在流体中的速度和Hugoniot线性斜率[20]。
其中mu;=1-（rho;0/rho;）是标称体积压缩应变，（rho;0）是初始密度，（Gamma;0）是近似参数。水的参数如表2所示，密度为1000kg/m3，则流体压力可按下式计算:
流体可以看作牛顿流体，这意味着流体的粘度与温度变化有关。因此在我们的模型中，当温度恒定时，流体粘度为常数。
4.1流固耦合算法
CEL是一种有限元分析方法，可以对多种流固耦合问题进行有效的动力分析。我们以前的工作详细地给出了本次研究中所使用的方法和流固耦合算法[21]。在CEL仿真中，欧拉和拉格朗日模型方程都依赖于经典的能量、质量和动量守恒方程。为了将拉格朗日网格在欧拉网格界面上运动时的欧拉和拉格朗日响应耦合起来，欧拉和拉格朗日模型均设置初始边界条件。因此，在拉格朗日网格上采用欧拉网格的压力边界条件，而在欧拉网格上采用拉格朗日网格的速度边界条件。基于VOF，欧拉单元具有恒定的压力。因为当它与拉格朗日单元相互作用时，单元面积会发生变化，因此计算中的欧拉面积质心不与拉格朗日面积质心和重建的压力条件正交。而在欧拉网格的受力计算完之后，拉格朗日网格的速度会随之更新。根据[22]，单元体积的计算方法是用欧拉单元体积减去拉格朗日单元体积。因此，一旦这些参数确定，应力和压力就会随之更新，而未覆盖部分单元的速度以默认方式更新。计算时一般采用接触算法，以避免拉格朗日体与底层的欧拉单元重叠。关于CEL的使用方法和数学表达式的详细描述，请参阅[23,24]。
4.2模型生成和网格划分
在本次仿真中，流体域与水域的尺寸与实验时的相同。流体域的长和宽分别为3m和1m，水深为0.86m，上方为0.14m的空气域。图8a展示了模型的不同部位，在未填充位置可以清楚地观察到面板。面板只考虑Y方向的平移运动，如图8b所示，夹持装置和面板以实验时的恒定速度落入水中。
由于砰击问题的对称性，图8a的整个三维砰击模型可以简化为图8d的四分之一三维模型，这样可以减少计算时间。欧拉流体域的外边界定义为无反射边界，以避免产生反射压力波。且由于计算耗时较长，因此将水域划分为多个部分。此外，水域采用EC3D8R线性欧拉单元进行网格划分。除此之外，还对流体域和弹性楔形板的网格密度收敛性进行了研究。水域模型的总网格为1988000个单元。值得注意的是，在冲击面板与流体表面冲击接触的位置，如图8c所示，网格尺寸需要进行各方向的均匀细化，并逐渐向外增大。夹层板模型使用C3D8R固体单元类型，有287896个单元。
4.3损伤模拟公式
基于牵引——分离本构关系(双线性粘聚区模型)建立的界面脱粘破坏模型，描述了面板 / 芯层的本构行为，并在有限元模型中定义了零厚度粘聚层粘聚面相互作用行为。同时利用层间表面节点的法向应力与剪应力的二次多项式组合来描述损伤的起始过程。夹层板在满足牵引——分离条件后，脱粘发生。如式(5)[25]。
tn、ts、tt分别为正应力、第一和第二剪应力下的名义牵引应力。损伤演化是基于层间分离过程中的能量损耗来实现的。根据 Gong 和 Benzeggah [26]关于损伤扩展的断裂准则，总的断裂能如下:
其中GTc 、GIc 、GIIc 、GT 和eta;分别为总临界能量释放率、模态Ⅰ临界能量释放率、模态Ⅱ临界能量释放率、总能量释放率和材料参数。数值仿真中用于描述粘性界面损伤起始和演化的参数如表3所示。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238525]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
