摘 要

夹层结构以其质轻、高强度和吸能特性好等优良特性，在航空航天、汽车和船舶等领域都有广泛的应用。本文立足于船桥碰撞的背景，采用数值模拟的方法探讨波纹夹层结构在低速冲击载荷下的耐撞性能，为波纹夹层结构应用于桥梁的防船撞装置设计提供了有益的参考。本文主要研究工作如下：

(1) 基于有限元软件LS-DYNA验证有限元方法的有效性，数值仿真计算结果与实验结果的误差在可接受的范围之内，证明此方法可以用于夹层板结构低速碰撞的数值仿真研究。

(2) 对单层夹层板的耐撞性影响因素作了全面分析，包括波纹形式、芯层折角、芯层高度、芯层厚度、面板厚度。结果表明三角形波纹板的耐撞性最优，且一定范围内芯层折角越小、芯层厚度越小、芯层高度越大时耐撞性越优，面板厚度的影响不显著。

(3) 对不同形式的多层波纹夹层板及单层波纹板与多层波纹板的耐撞性做了对比。结果表明，芯层对齐排列的多层波纹夹层板耐撞性最优；多层波纹夹层板去掉内面板可以提高耐撞性，但会降低极限承载能力；逆密度梯度多层波纹夹层板抗变形能力最优；相比单层波纹板，多层波纹板的耐撞性有所提升。

关键词：波纹夹层板；耐撞性；数值模拟；结构参数；多层

Abstract

The sandwich structure has a wide range of applications in aerospace, automotive, marine and other fields due to its excellent properties such as light weight, high strength and good characteristics of energy absorption. Based on the background of ship-bridge collision, the numerical simulation method is used to investigate the crashworthiness of corrugated sandwich structure under low-speed impact load, which provides a useful reference for the design of corrugated sandwich structure for bridge anti-ship collision device. The main research work and conclusions are as follows:

(1) Based on the FEM code LS-DYNA, the validity of the finite element method is verified. The error between the numerical simulation results and the experimental results is within the acceptable range, which proves that this method can be used for numerical simulation research of low-speed collision of sandwich plates.

(2) A comprehensive analysis of the factors affecting the crashworthiness of single-layer sandwich panels, including Geometric configurations, angle, sandwich height, sandwich thickness, and upper plate thickness. The results show that the triangular corrugated plate has the best crashworthiness, and the smaller the angle is, the smaller the sandwich thickness is, and the higher the sandwich height is, the better the crashworthiness is. The effect of the upper plate thickness is not significant.

(3) The crashworthiness of different forms of multi-layer corrugated sandwich panels is compared, and the single-layer corrugated panels is compared with the multi-layer corrugated panels. The results show that the regularly-arranged multi-layer corrugated sandwich panel has the best crashworthiness. The multi-layer corrugated sandwich panel without the inner panel has better crashworthiness, but its ultimate anti-collision capability is reduced. The reverse density gradient multilayer corrugated sandwich panel has the best resistance to deformation. Multi-layer corrugated panels have better crashworthiness than single-layer corrugated panels.

Keywords: corrugated sandwich panel; crashworthiness; numerical simulation; structural parameters; multi-layer

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 传统波纹夹层结构研究现状 2

1.2.2 多层波纹夹层结构研究现状 4

1.3 本文主要研究内容 5

第2章 有限元方法验证 6

2.1 概述 6

2.2 参照实验模型 6

2.2.1 实验描述 6

2.2.2 试件参数 7

2.2.3 实验工况 8

2.3 有限元模型 8

2.3.1 几何模型，单元和网格划分 8

2.3.2 材料模型 9

2.3.3 接触设置 10

2.3.4 边界条件和初始条件 10

2.4 仿真计算结果分析 11

2.4.1 不同工况数值仿真对比 11

2.4.2 数值仿真与实验对比 13

2.5 有限元建模中的关键因素 15

2.5.1 网格收敛性验证 15

2.5.2 芯层与面板的连接方式 16

2.5.3 工装夹具的模拟 17

2.5.4 单元类型 18

2.6 本章小结 19

第3章 波纹夹层板耐撞性影响因素分析 20

3.1 概述 20

3.2 基准计算方案 20

3.2.1 基准参数 20

3.2.2 有限元模型 21

3.3 波纹型式的影响 21

3.3.1 不同波纹芯层设计 21

3.3.2 碰撞力对比 22

3.3.3 变形对比 22

3.3.4 吸能对比 23

3.3.5 耐撞性综合对比 25

3.4 结构参数的影响 25

3.4.1 芯层折角 25

3.4.2 芯层高度 26

3.4.3 芯层厚度 27

3.4.4 面板厚度 28

3.5 本章小结 29

第4章 多层波纹夹层板耐撞性研究 30

4.1 概述 30

4.2 多层波纹板不同形式的对比 30

4.2.1 有限元计算模型 30

4.2.2 芯层排列方式 31

4.2.3 有无内面板 33

4.2.4 撞击角度 35

4.2.5 密度梯度 37

4.3 单层与多层的对比 39

4.3.1 对比方案 39

4.3.2 对比结果 39

4.4 多层波纹板应用于防船撞装置的原则 41

4.5 本章小结 41

第5章 总结与展望 42

5.1 全文主要工作及结论 42

5.2 展望 42

参考文献 43

致谢 45

绪论

研究背景与意义

近年来随着经济的高速发展，交通运输系统日益完善，跨江、跨海大桥不断新建，与此同时内河航运业也在发展，航运量增大，船桥碰撞事故频发，表1.1和表1.2分别列出了部分国内外重大船桥碰撞事故，其后果的严重性不言而喻，不仅会造成重大经济损失还会危及人身安全。因此，想要降低碰撞事故发生时的损失就要尽可能减少船对桥墩造成的破坏，而在桥墩外部安装防撞装置是目前最常采用的措施之一。防撞装置通过自身结构塑性大变形耗散船舶冲击能量，减小撞击力，避免桥墩直接受到船舶撞击，同时还能保障船舶的安全，减少二者的维护费用，是一种有效的解决船撞桥的防护措施。

表1.1 国外主要船桥碰撞事故统计^[1]

表1.2 近10年国内主要船桥碰撞事故统计^[2]

夹层结构作为一种新型轻质结构，与传统加筋板结构相比，具有比强度高、比刚度大、吸能效果好的特点，在耐撞性、抗爆炸冲击及防火、隔热、隔音等方面也具有优良的性能，这类结构在航空航天、建筑、汽车和船舶等领域都有广泛的应用^[3]，因此基于夹层结构设计防撞装置是可行的选择。夹层结构通常是由上下两块面板及中间的芯层通过焊接或焊接组成。按照夹芯型式的不同夹层结构大致可波纹型、蜂窝型和桁架型；按照夹层结构层数可分为单层和多层两种类型；按照材料类型可分为金属夹层板和复合材料夹层板；根据夹层结构夹芯空隙内是否有填充物又可分为传统夹层结构和杂交夹层结构。

国内外研究现状

波纹夹层结构是结构抗冲击性能研究中较常见的一种结构，国内外研究人员对其抗冲性能进行了大量的实验和仿真研究。就载荷形式而言，有空爆载荷、水下爆炸载荷、低速冲击载荷、高速冲击载荷；就材料类型而言，有金属夹层板、复合材料夹层板；就结构形式而言有传统夹层板、填充夹层板；关注点也主要集中在冲击载荷作用下结构的损伤变形模式和吸能特性、结构参数对其防护性能的影响及结构优化设计。

传统波纹夹层结构研究现状

Xue等^[4]对三种芯层结构不同的夹层板在爆炸载荷下的动态响应进行了研究，结果表明与等质量的实体板相比，夹层结构的抗爆性能更优，尤其是在水下爆炸载荷下。任鹏等^[5]基于试验和数值仿真探讨了波纹芯层夹层结构在水下爆炸冲击波作用下的动态响应特性和抗冲击防护能力，研究结果表明：具有相同面密度的夹层板抗冲击能力明显优于单层板，其中波纹型夹层板的抗冲击防护能力优于格栅夹层板。