泡沫夹层复合材料的初始破坏载荷与极限载荷计算
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５ ４卷
第 ２期（ 总第 ２ ０ ５期 ）
中
国
造
船
ｖ０ １ ． ５ ４ Ｎｏ ． ２（ Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎｏ ． ２ ０ ５ ）
Ｊ ｕ ｎ ｅ ２ ０１ ３
２ ０ １ ３年 ６ 月
Ｓ ＨＩ Ｐ Ｂ ＵＩ Ｌ Ｄ Ｉ ＮＧ Ｏ Ｆ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ
文章编号 ：１ ０ ０ ０ 。 ４ ８ ８ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ２ ． ０ ０ ４ ５ — １ ０
泡 沫 夹 层 复合 材 料 的
初 始 破 坏 载 荷 与极 限 载荷 计 算
易 雯，赵 耀 ， 高 畅
（ 华 中科技 大学 船舶 与海洋工程 学院，武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４）
摘
要
对泡沫夹层复合材料 的初始破坏载荷与极 限载荷进行 了仿 真计算，其 中包括 有限元模 型的建 立和材 料参 数的设置。提 出了达到初始破坏与极限承载 的判断条件 ，并进行 了泡沫夹层 复合材料 的弯曲试验 。对 比泡沫 夹层梁弯曲的数值 仿真与试验结果，初始破坏载荷和极 限载荷判断条件 与试验相 符，表 明该仿 真计 算方 法的
图１ 泡 沫 夹 层 复 合 材 料 结 构 示 意 图
上 、下面 板采 用 实体层 单 元模 拟 多层 复合 材料 ，输 入 每个 纤维 混合 层 的等 效材 料参 数 ， 即混合 层 的弹 性模 量 ，泊松 比和 剪切 模 量等 。对 于 中间泡 沫层 的泡 沫 部分 采用 实 体单 元进 行模 拟 。而对 于树 脂
（ １ ）纤 维 的密 度以 （ ｇ ／ ｍｍ。 ） ，弹 性模 量 （ ＭＰ ａ ） ，泊 松 比 ；
（ ２ ）树脂基体的密度 （ ｇ ／ ａｍ。 ｒ ） ，弹性模量Ｅ ｍ （ ＭＰ ａ ） ，泊松 比 ； （ ３ ）玻璃纤维表面毡、编织毡、单 向布 、方格布的单位面积重量 （ ｇ ／ ｍｍ ） ，厚度 （ ｍｍ） ，经
１ ． １ 计算 模 型 图 １所 示 为泡沫 夹层 复合 材料 结构 的示 意 图，一般 由上 面板 、泡 沫 中间层 以及 下面板 三 个部 分构
材料 的初 始破 坏 的条件 可 以认 为是其 纤维 断裂 的 时刻 ，而 极 限承载 条件 是其 承载 力达 到最 大值 。
Βιβλιοθήκη Baidu
成 。其 中上 、下 面板 是复 合材 料层 合 板 ，多为 纤维 加强 复合 材料 ；而泡 沫 中 问层 为 泡沫 与树 脂增 强分 隔 。建模 时将 对这 三部 分分 别进行 处 理 。
载 荷 ，还 可选 择不 同的面板 、芯材 或黏 结剂 ，以满足 各种 使 用条件 下 的要 求 ，在汽 车 、船舶 、航 空航 天 等 先进 结构 上得 到 了广泛 的应 用 【 Ｉ 】 。在 材料 的力 学性 能 中 ，初 始 破坏 条件 与极 限承 载是 关注 的重 点 ， 如果 能够 有效 地计 算泡 沫夹 层复 合材 料 的初 始破坏 载 荷与 极 限载荷 ，就可 为设 计师提 供 参考数 据 。 研 究工作 者们 采用 试验 方法 、数 值 仿真 计算 方法 、理 论 方法 以及 以上 方法 的结合 对 泡沫 夹层 复合 材 料进 行 了研 究 。这里 仅列 出一 些相 关 的研 究成果 如 下 ：泡沫 层 能提 高夹层 结 构 的刚度和 强度 【 ２ 】 ；夹
正确 性。
关 键 词 ：泡沫夹层复合材料； 初始破坏 载荷 ；极 限载荷 ；有限元 中图分 类号 ：Ｕ ６ ６ ８ ． ３
文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
泡沫 夹 层复 合材 料具 有 高的 比强度 和 比刚度 ，耐疲 劳 、耐腐 蚀 、抗震 动性 能好 ，能有 效吸 收冲 击
增强 分隔 ，若 为薄层 结构 则采 用壳 单元 进行模 拟 ；若 为较 厚结构 则采 用 实体单 元进 行模拟 。
１ ． ２ 材 料参 数设 置 建模 中所 需 的材料 参数 是玻璃 纤 维与树 脂基 体混 合 的等效 材料 参数 ，需通 过计 算转 化得 到 。为方
便说 明，相关 参数 名称 定义 如下 ：
层 结 构 中的泡沫 材料 具 有非 线性特 征 ，并 建立 了非 线性 有 限元模 型［ ３ ４ 】 ；泡 沫 材料 的剪 切破坏 是 导致 结
构 破坏 的主 要 原 因之 一 Ｊ ；建 立 了针 对 缝纫 泡沫 夹层 结 构 的理论 计算模 型 以计 算其 初始破 坏 载荷 Ｌ ７ Ｊ 。 大 多数 研 究 以试 验观 察 为主得 到 泡沫 结构 的宏观 力 学性 能 ，或 者采用 较 复杂 的理 论计算 分 析较规 则 的 夹 层 结构 。这些 研究 方法 或 结论对 于工 程应 用 中较 为复 杂 的结构 来说 不够 简便 。 本 文利 用数 值仿 真 ，对泡 沫夹 层 结构 建立数 值 模型 并进 行仿 真 计算 。重 点关注 泡 沫夹层 结 构 的初
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ ． １ １ － ３ ０ ：修改 稿收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ ３ ． １ １ 基 金项 目：国家 自然 科学基 金项 目 （ ５ １ ０ ７ ９ ０ ６ ０ ）
中
国
造
船
学 术论 文
一
材 料 的模 型不 同。本文 提 出 了模 型的建 立方 法和 材 料参 数 的设置 方法 。就破坏 而 言 ，泡沫 夹 层复合
纬 纤维 比， ｌ ￡ ： 携 ；
（ ４ ）各种 织物 的树脂 含 ｍ 一 ＝ Ａ ，（ ％） ， 以及 孔 隙率 ｃ （ ％） 。
根 据材 料 力学方 法 以及相 关文 献 ， 。 可得 纤维 加 强复合 材料 材料 参数 计算 公式 如下 。 （ １ ）浸润 树脂 后单 层毡 、布 的厚 度
始破 坏和 极 限承 载能 力 ，提 出了 结构达 到初 始破 坏 与极 限承 载 的判 断 条件 ，并 进行 了泡 沫夹 层结 构 的
承载 试验 。
１ 数 值 仿 真 计 算
由于泡 沫夹 层复 合材 料 中含 有泡 沫 、玻 璃纤 维 和树 脂等 ，其计 算模 型 的建 立 与金属 结 构等 仅含 单
第 ２期（ 总第 ２ ０ ５期 ）
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２ ０ １ ３年 ６ 月
Ｓ ＨＩ Ｐ Ｂ ＵＩ Ｌ Ｄ Ｉ ＮＧ Ｏ Ｆ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ
文章编号 ：１ ０ ０ ０ 。 ４ ８ ８ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ２ ． ０ ０ ４ ５ — １ ０
泡 沫 夹 层 复合 材 料 的
初 始 破 坏 载 荷 与极 限 载荷 计 算
易 雯，赵 耀 ， 高 畅
（ 华 中科技 大学 船舶 与海洋工程 学院，武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４）
摘
要
对泡沫夹层复合材料 的初始破坏载荷与极 限载荷进行 了仿 真计算，其 中包括 有限元模 型的建 立和材 料参 数的设置。提 出了达到初始破坏与极限承载 的判断条件 ，并进行 了泡沫夹层 复合材料 的弯曲试验 。对 比泡沫 夹层梁弯曲的数值 仿真与试验结果，初始破坏载荷和极 限载荷判断条件 与试验相 符，表 明该仿 真计 算方 法的
图１ 泡 沫 夹 层 复 合 材 料 结 构 示 意 图
上 、下面 板采 用 实体层 单 元模 拟 多层 复合 材料 ，输 入 每个 纤维 混合 层 的等 效材 料参 数 ， 即混合 层 的弹 性模 量 ，泊松 比和 剪切 模 量等 。对 于 中间泡 沫层 的泡 沫 部分 采用 实 体单 元进 行模 拟 。而对 于树 脂
（ １ ）纤 维 的密 度以 （ ｇ ／ ｍｍ。 ） ，弹 性模 量 （ ＭＰ ａ ） ，泊 松 比 ；
（ ２ ）树脂基体的密度 （ ｇ ／ ａｍ。 ｒ ） ，弹性模量Ｅ ｍ （ ＭＰ ａ ） ，泊松 比 ； （ ３ ）玻璃纤维表面毡、编织毡、单 向布 、方格布的单位面积重量 （ ｇ ／ ｍｍ ） ，厚度 （ ｍｍ） ，经
１ ． １ 计算 模 型 图 １所 示 为泡沫 夹层 复合 材料 结构 的示 意 图，一般 由上 面板 、泡 沫 中间层 以及 下面板 三 个部 分构
材料 的初 始破 坏 的条件 可 以认 为是其 纤维 断裂 的 时刻 ，而 极 限承载 条件 是其 承载 力达 到最 大值 。
Βιβλιοθήκη Baidu
成 。其 中上 、下 面板 是复 合材 料层 合 板 ，多为 纤维 加强 复合 材料 ；而泡 沫 中 问层 为 泡沫 与树 脂增 强分 隔 。建模 时将 对这 三部 分分 别进行 处 理 。
载 荷 ，还 可选 择不 同的面板 、芯材 或黏 结剂 ，以满足 各种 使 用条件 下 的要 求 ，在汽 车 、船舶 、航 空航 天 等 先进 结构 上得 到 了广泛 的应 用 【 Ｉ 】 。在 材料 的力 学性 能 中 ，初 始 破坏 条件 与极 限承 载是 关注 的重 点 ， 如果 能够 有效 地计 算泡 沫夹 层复 合材 料 的初 始破坏 载 荷与 极 限载荷 ，就可 为设 计师提 供 参考数 据 。 研 究工作 者们 采用 试验 方法 、数 值 仿真 计算 方法 、理 论 方法 以及 以上 方法 的结合 对 泡沫 夹层 复合 材 料进 行 了研 究 。这里 仅列 出一 些相 关 的研 究成果 如 下 ：泡沫 层 能提 高夹层 结 构 的刚度和 强度 【 ２ 】 ；夹
正确 性。
关 键 词 ：泡沫夹层复合材料； 初始破坏 载荷 ；极 限载荷 ；有限元 中图分 类号 ：Ｕ ６ ６ ８ ． ３
文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
泡沫 夹 层复 合材 料具 有 高的 比强度 和 比刚度 ，耐疲 劳 、耐腐 蚀 、抗震 动性 能好 ，能有 效吸 收冲 击
增强 分隔 ，若 为薄层 结构 则采 用壳 单元 进行模 拟 ；若 为较 厚结构 则采 用 实体单 元进 行模拟 。
１ ． ２ 材 料参 数设 置 建模 中所 需 的材料 参数 是玻璃 纤 维与树 脂基 体混 合 的等效 材料 参数 ，需通 过计 算转 化得 到 。为方
便说 明，相关 参数 名称 定义 如下 ：
层 结 构 中的泡沫 材料 具 有非 线性特 征 ，并 建立 了非 线性 有 限元模 型［ ３ ４ 】 ；泡 沫 材料 的剪 切破坏 是 导致 结
构 破坏 的主 要 原 因之 一 Ｊ ；建 立 了针 对 缝纫 泡沫 夹层 结 构 的理论 计算模 型 以计 算其 初始破 坏 载荷 Ｌ ７ Ｊ 。 大 多数 研 究 以试 验观 察 为主得 到 泡沫 结构 的宏观 力 学性 能 ，或 者采用 较 复杂 的理 论计算 分 析较规 则 的 夹 层 结构 。这些 研究 方法 或 结论对 于工 程应 用 中较 为复 杂 的结构 来说 不够 简便 。 本 文利 用数 值仿 真 ，对泡 沫夹 层 结构 建立数 值 模型 并进 行仿 真 计算 。重 点关注 泡 沫夹层 结 构 的初
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ ． １ １ － ３ ０ ：修改 稿收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ ３ ． １ １ 基 金项 目：国家 自然 科学基 金项 目 （ ５ １ ０ ７ ９ ０ ６ ０ ）
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学 术论 文
一
材 料 的模 型不 同。本文 提 出 了模 型的建 立方 法和 材 料参 数 的设置 方法 。就破坏 而 言 ，泡沫 夹 层复合
纬 纤维 比， ｌ ￡ ： 携 ；
（ ４ ）各种 织物 的树脂 含 ｍ 一 ＝ Ａ ，（ ％） ， 以及 孔 隙率 ｃ （ ％） 。
根 据材 料 力学方 法 以及相 关文 献 ， 。 可得 纤维 加 强复合 材料 材料 参数 计算 公式 如下 。 （ １ ）浸润 树脂 后单 层毡 、布 的厚 度
始破 坏和 极 限承 载能 力 ，提 出了 结构达 到初 始破 坏 与极 限承 载 的判 断 条件 ，并 进行 了泡 沫夹 层结 构 的
承载 试验 。
１ 数 值 仿 真 计 算
由于泡 沫夹 层复 合材 料 中含 有泡 沫 、玻 璃纤 维 和树 脂等 ，其计 算模 型 的建 立 与金属 结 构等 仅含 单