蜂窝夹层结构防船撞设计和性能研究文献综述
2020-04-23 19:39:07
构件的刚度主要由两个参数构成：反应几何参数的截面尺寸和反应材料性能的弹性模量。通过对三点弯曲简支梁的简单应力分析可知，应力大小与离中性轴的距离成正比，因此对于这类受弯构件，我们尽量增加梁高使截面惯性矩提高，于是产生了工字梁、槽钢等一类构件。同理，对于受弯板材，人们也想到把关键材料放到远离中轴面的部位，于是产生了各种形式的夹层结构。
世界上第一个夹层结构是1856年英国人希利和艾伦发明的瓦楞纸板，受到这种结合了传统意义上互不相容的“轻质”与“高强”性能的结构材料的启发，对结构质量十分敏感的航空航天业于20世纪中叶开始系统地研究与优化夹层结构。后被广泛使用的夹层结构根据其芯材的不同可分为泡沫夹层和蜂窝夹层，其中尤以利用人类仿生学制造的蜂窝夹层结构用料最省、刚度最大，受到业界广泛好评。但由于工艺复杂、制作成本高，夹层材料在很长一段时间内仅限于航空航天领域使用。
自20世纪90年代末，随着技术成熟、成本降低，蜂窝夹层结构开始扩大应用于国民经济的各个领域。而早在20世纪60年代航空航天领域发现的蜂窝夹层结构通过其压溃形式产生的优良吸能性和耐撞性，也开始在其他领域的防撞问题研究上大展身手。
尽管在航空领域，针对蜂窝夹层结构，无论是微观上的力学理论推导和材料性能分析、还是各种不同形式的蜂窝结构的撞击模型实验和数值模拟、甚至新型的多层蜂窝结构的压溃分析，业界已颇有建树。由于工作环境、特别是撞击速度上的差别，很多已有的结论并不能直接用于蜂窝夹层防船撞装置的设计。但无论任何领域及碰撞条件，对蜂窝夹层结构已有的共识是：蜂窝夹芯对吸能起关键作用。因此，进行不同夹芯形式及材料的蜂窝夹层结构的防撞性能研究，对桥墩防船撞结构具有重要的工程意义。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}本论文拟以汉江某大桥的柔性防船撞结构为研究对象，选择不同形式和材料的蜂窝夹层对其进行设计。类比工程上常用的工字梁可知，在进行夹层结构的设计时，构造上主要承受拉压力的面板应使用厚度较薄、强度高、刚度大的材料，而主要承受弯曲时剪力的芯层应使用密度小、厚度大、又有一定承载能力的材料。根据防撞设施的吸能要求以及潮湿的工作环境对材料化学稳定性的要求，本次设计拟选用较常用的铝面板，芯层选用传统的铝箔蜂窝芯层和新兴的吸能性能显著的聚氨酯芯层。对于蜂窝夹芯高度对吸能的影响，已有较多的研究文献可考，所以本论文只研究蜂窝芯的截面形式，拟选用正六角形蜂窝及其拉伸变形得到的长方形蜂窝、棱形蜂窝。
已有的大部分撞击力学研究都是同时进行实体的比例模型测试与数值模拟实验，以相互对比和校正。本论文直接使用有限元软件Ansys进行建模分析，研究的主体部分——蜂窝夹芯截面形式对吸能的影响，采用铝蒙皮-铝箔蜂窝芯材料模型，面板和夹芯使用同一材料以削弱有限元分析对于蜂窝夹层板胶结缺陷模拟的不足。选用低速撞击未穿透结构的工况，分析三种不同夹芯截面的铝蒙皮-铝箔蜂窝夹层板的动态响应和吸能效果。再选取其中性能最好的一种截面，将夹芯换成聚氨酯材料，进行第二部分研究——分析铝蒙皮-聚氨酯蜂窝芯夹层板相比于铝蒙皮-铝箔蜂窝芯夹层板吸能性的提升。
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