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船舶结构复合材料典型接头的极限强度分析

魏深，任俊严，白路罗，应复助，海严曾

1. 部级高性能船舶技术重点实验室（武汉理工大学）武汉430063。
2. 上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240，中国。
3. 中国船舶开发设计中心，武汉430064。

摘要：为解决船舶结构复合L型接头的破坏失效问题，失效和极限强度的复合L型接头通过使用渐进损伤分析研究船舶结构方法和实验方法。已经进行了许多研究了解结构破坏过程和接头下的破坏强度压缩载荷。实验和数值结果表明轴向压缩载荷下夹层板的轴向位移在达到极限之前缓慢增加，但承载能力一旦载荷超过极限载荷，结构迅速减小轴向位移缓慢增加直到夹层板开裂。夹层L型接头的主要失效模式是分层在芯和皮肤之间，纤维失效，基础剪切破坏和PVC失效。在数值结果和测试之间有很好的一致性结果，为设计三明治结构提供了指导复合接头。

关键词：复合材料; 夹层L型接头; 极限强度;实验研究

1. 介绍

作为新型功能材料，复合材料表现出优异的性能，如高速度，低排放，长寿命和卓越的舒适性在海洋环境[1]。 此外，由于轻量化和高比强度，复合材料逐渐应用于造船[2-5]。 然而，复合材料的各向异性和脆性特性使应力分布复合接头的失效模式比金属结构复杂得多[6]。 复合材料故障是过程中内部微观损伤积累和材料退化。 到期对于微观损伤的多样性，失败过程缺乏规律性。 因此它是需要通过实验方法分析复合接头的机械性能。

Smith和Dow [7]预测了轴向复合材料加强板的极限强度压缩载荷，忽略加劲板的刚度降低。 陶氏[8]完成了一系列船舶复合层压板和加强层压板的极限强度试验结构体。 Chen，et al。 [9]分析了复合船体的纵向极限强度和可靠性与梁柱理论和史密斯的方法。 Prusty [10]讨论了加强的效果基于一阶剪切变形理论的极限强度和剪切修正因子，但是他的研究忽略了弹性范围内破坏层的刚度。 Tang，et al。 [11,12]研究了加强复合板在轴向载荷下的抗压强度，然后讨论了层，厚度对极限强度的影响。 然而，只有几个测试以分析夹层复合材料的极限强度。

到目前为止，复合材料结构的极限强度分析仍处于阶段发展，作为材料失效标准不完善，实验数据不够，而且渐进失效分析方法有缺陷[13,14]。 事实上，复合结构的失败在实际工程中广泛存在。 在初始加载期间，弱部分将首先损坏，这导致应力再分布。 事实上，这种损害在宏观中不可见。 有了负荷增加，损伤区域将膨胀，结构的刚度将降低最终故障发生。 考虑到局部故障和材料退化，逐步失效分析方法可以更好地模拟复合材料的破坏过程和最终破坏载荷材料结构。 因此，在本文中，实验方法和逐步损伤分析方法将比较研究造船中夹层L型接头的极限强度。

1. 实验分析

目前，正在使用复合材料开发广泛的海军结构。检查的应用包括大型巡逻艇，气垫船，矿井对策船舶完全由复合材料建造的护卫舰[15]。 如图1所示。 1，最简单的类型的板梁结构由板，加强件和支架组成。 应力集中在这些角落导致裂缝在静态和循环荷载下开始和传播[16]。 因此，几个在本文中使用全尺寸夹层L型接头来分析拐角的极限强度。图1样品草图示意图, 拐角是应力集中区船体徘徊或下垂。

图1 复合船舶框架示意图。

2.1标本和设备

如图2所示，在实验中使用夹层L形接头试样。 主体是由泡沫夹心板制成。 两个夹层板在105°，纵向连接加强件沿着角部由圆弧过渡支架连接，并且L形接头的端部用垂直致动器和基座固定（见图3）。 为了避免本地故障，两端的接头被设计为实心芯板。 此外，还设计了过渡区在实芯板和夹芯板之间。 考虑这样的结构细节的实际边界条件，将L钢板固定在两端，施加垂直载荷图3中的MTS致动器的上部压块。

图2 L接头的几何参数。

为了减少初始缺陷对实验结果的影响，初始外观在极限强度试验之前要检查。

图3 样品夹具

所有测试都在MTS322测试和分析系统上进行。 使用垂直执行器模拟弯曲应力状态。 样品底部用固定的工作平台螺栓连接，顶部用致动器螺栓连接（参见图2-3）。 五个全尺寸L型接头在相同的压缩载荷下并在试验中进行边界条件。 五组样本标记为U1，U2，U3，U4和U5。

2.2.静态应变测量试验

为了模拟角部附近的真实应力状态，应变测量试验和线性在极限强度试验前进行分析。 如图4所示，31单向应变量规和6个矩形应变玫瑰花状排列在角落附近的应力集中区域。为了提高数据的可比性，排列点6-7,12和15关于弧中心点10（参见图4）对称。

图 4.污染测量，测量点的布置;

在测试期间，压缩载荷逐步加载15-20级，并且应变在0kN，2kN，...，9kN，10kN ...的系列负载下收集数据，直到断裂载荷为如表1所示。

表1每个步骤下的负载

负载水平		0-4		5-8		9-12		...		N
加载（KN)		0-2-4-6-8		9-10-11-12		12.5-13-13.5-14		...		断裂

收集样品U1的主应力集中点以监测应变变化。 如图5a所示，点8,11和13的应变结果随着负载的增加而平滑地增加。关于点6,7,10,12和15，应变值关于中心点10对称（圆弧中心，参见图5b）。

(a)加载（KN）

(b)测量点

图5 不同载荷下样品U1的应变结果：（a）点8,11和13; （b）点6,7,10,12和15。

考虑个体差异，不同样本U1和U2的载荷 - 应变曲线也在图6中进行比较。样品U1与U2之间的测量结果存在一定差异，但变化趋势是一致的。结果表明关键点的应变变化是合理的。

加载（KN）

(a)

加载（KN）

（b）

图6 试样U1和U2的载荷 - 应变曲线：（a）点4和6; （b）第7点和第10点。

由于角落处的复杂应力状态，还装饰了6个矩形应变玫瑰花围绕角对称（参见图4）。对于矩形应变玫瑰（参见图7）主应变解和相应的应变方向导致以下值[17].其中0 e，45 e，90 e分别表示所选方向的线性应变。

例如，收集4.0kN以下矩形应变玫瑰花结的测量结果表2和图8。 如图8所示，主应变的方向几乎沿着边缘切换板，这可能导致局部损坏。

图7 矩形应变玫瑰花。

表2矩形应变玫瑰花结在4.0kN下的测量结果

图8 矩形应变玫瑰花的主要应变：（a）点21,23和25; （b）点22,24和26。

1. 数值分析

3.1 分析过程

在本文中，采用渐进损伤分析来模拟在轴向压缩载荷下的夹层接头的损伤和破坏过程。复合材料的失效结构在较低负载水平下开始并以逐步的方式发展直到最终失效。因此，开发和推荐逐步失效分析方法用于分析的夹层接头。 基于ABAQUS的FE建模和应力应变分析，该方法可以预测损伤的起始和局部渐进性质，失效模式和最终强度的关节。 它根据失效标准确定损伤发生。 如果检测到故障，则由失效标准指示，材料性质根据具体情况而改变退化模型。 然后，需要重新建立结构的平衡改性材料性能。 然后加载步骤增加，直到灾难性故障结构。

3.2 失效标准

复合层压板的失效标准主要是分析近似或曲线拟合实验结果。 复合材料的大多数失效标准（Tsai-Hill，Tsai-Wu和Hoffman标准）被认为是von Mises标准到二次标准的延伸。 的Hashin失效标准[18]是相互作用失效标准，因为失效标准使用多于一个应力分量来评估不同的故障模式。 最初开发的Hashin标准作为单向聚合物复合材料的失效标准。 因此，有必要改进层压板或非聚合复合材料的Hashin标准。 Shokrieh [19]提出了改进的失效标准在三维，如表3所示。此外，脱层失效应该也被认为是最常见的故障模式之一[20]。

典型的失效模式和标准在表3中列出。在这些失效标准中，拉伸和在主材料方向（1方向或2方向）上的压缩破坏以及纤维基质剪切破坏.材料中的应力坐标系在ABAQUS的UMAT子程序中使用给定的应变进行模拟和每个材料点的材料刚度系数。 基于应力结果，基于应力的失效标准被评估，并且材料退化相应地改善。

表3 故障模式和标准

3.3 有限元模型

三维有限元模型是必要的，以便有准确的渐进失效分析夹层L形接头的预测。 一个8节点线性砖元素减少集成和沙漏控制（C3D8R）来模拟玻璃纤维皮和PVC芯。核心和皮肤之间的粘合剂层通过COH3D8元素建模。 CHO3D8是一个8节点三维粘结单元具有双线性本构关系。 随着增加负载，内聚元件的应力将线性上升。 达到极值点后，它将线性下降，最终下降到0。

这种夹层L型接头由内外GFRP表皮增强，两者分开粘附在PVC泡沫上。 GFRP织物和PVC泡沫的相应材料性质分别如表4和5所示。 GFRP的物理性质也在表6中给出。

表4 GFRP的材料性质

表5 PVC泡沫的材料性能

表6 GFRP的物理性质

1. 实验和仿真结果

4.1 应变比较

为了模拟真实应力状态，应变测量试验和FE分析进行了比较2.0kN。 在相同的压缩载荷2.0kN下开发FE模型。 应变应力集中区主要监测点的结果收集于图9。

图9 模拟菌株和实验值在2.0kN。

与FE值和测量结果相比，得出的结论是有很好的一致性在实验菌株和预测菌株之间的变化趋势。 应变的变化趋势测量值和FE值之间的值一致，形状为“W”。 但是，那由于实际结构之间的差异，预测应变小于测试结果和FE模型。 差异的主要原因是厚度在周围不均匀拐角由于纯手工处理.

4.2 故障强度分析

试样U1-U5的极限载荷和刚度如表7所示手动加工的差异，初始尺寸和刚度可能略有不同。但是，结果相对接近，因此将平均值作为最终结果是合理的。如图所示在表7中，平均极限载荷为15.303kN，平均刚度为441.4N / mm。

表7 极限载荷的实验结果

负载和位移曲线也在图10中进行比较。在初始阶段，有一个好位移和载荷之间的线性关系。 位移大致线性增加随着力的增加。 随着载荷的增加，抗压刚度和载荷能力逐渐减少。

(a)

(b)

图10 负荷和位移曲线：（a）试样U1-U3; （b）样品U4-U5。

图11 示出了模拟和实验之间的负载和位移曲线的比较结果。 在0-2kN处曲线趋势非常相似。 随着负荷的增加，由于个体之间的差异，曲线之间的差异逐渐增加。

图11 试样U2和U4的载荷和位移曲线比较：（a）载荷范围：0-16kN; （b）负载范围：0-2kN。

4.3 故障过程分析

在极限强度实验期间，由于内部故障，摩擦噪声开始出现并增加阻尼，在负载下为8.0-10.0kN。 当负荷进一步增加时，塑性变形导致局部破坏，裂纹在视角附近。 随着进一步延伸裂纹，试样突然断裂，位移力曲线急剧下降。

试样的破坏模式如图12所示。 鉴于个人的差异，裂纹主要集中在纵向加劲肋或弧形支架附近的拐角处，只有一个主裂纹。

(a) (b) (c) (d) (e)

图12 试样断裂：（a）试样U1; （b）样品U2; （c）试样U3; （d）试样U4; （e）样品U5。

典型的失效模式预测。夹层L型接头的主要失效模式是芯和皮肤之间的分层，纤维失效，基础剪切破坏和PVC失效。分层失效（FV4）首先发生在1.90kN。 随着负载的增加，故障区域逐渐扩大。 当负载增加到6.8kN时，双向光纤故障（FV2）纤维基体剪切破坏（FV3）和泡沫失效同时出现。 光纤故障1方向直到9.56kN才发生。 此外，在2方向的失效在中心发起弧形支架在层压板的外层

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