泡沫填充波纹夹层板平面压缩特性数值模拟

曾漾，郁荣，骆伟，袁华，刘敬喜

摘 要：泡沫填充波纹夹层板结构具备较高的极限承载能力及较好的冲击吸能能力。基于ABAQUS通用平台建立了泡沫填充波纹夹层板结构平面压缩特性的数值模拟方法，对无填充、聚氨酯泡沫填充及泡沫铝填充的波纹夹层板结构进行平面压缩的系列化有限元数值模拟。计算结果表明，泡沫填充对波纹板结构有较好的增强作用，可提高结构的极限承载能力及能量吸收能量，芯层愈弱效果愈好。高强度泡沫铝填充材料可使腹板的屈曲模式由一阶向高阶转变，从而大幅提高极限承载能力及吸能能力。研究成果可为新型混杂波纹夹层板的设计应用提供参考建议。

关键词：夹层板;泡沫填充;平面压缩;数值模拟

中图分类号：U668            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）12-0053-03

夹层板（sandwich panel）结构通常由强度较高的面板与重量较轻的芯层组成，与传统的金属板相比，夹层板结构具有重量轻、刚度大、强度高、稳定性好等特点，被广泛应用于舰船及海洋工程结构[1-2]。由于泡沫材料在承受压缩载荷时，应力应变曲线呈现出宽范围的“平台区”[3，4]，因此其能量吸收能力较强;但由于其较小的弹性模量及屈服极限，泡沫夹层板结构的面外压缩极限承载能力较低。波纹夹层结构面外压缩承载能力较强，但在芯层腹板屈曲后结构承载能力显著降低[5，6]，大变形条件下的吸能能力较弱。船体结构所用的夹层板结构，在舰船服役期间将不可避免地承受舷侧挤压、风载荷、静水压力、甲板上浪等面载荷[7]，这些载荷要求船用夹层板同时具备较高极限强度及较高的变形吸能能力。在波纹夹层板的波纹间隙中填充泡沫材料，可得到一种新型的混杂复合材料结构——泡沫填充波纹夹层板结构，可同时兼具较高的极限承载能力及较高的吸能能力。

本文基于限元软件ABAQUS研究泡沫填充波纹夹层结构的平面压缩力学特性，通过改变芯层波纹厚度、改变泡沫材料特性的系列计算，获取结构的变形/失效模式、结构极限承载能力及能量吸收的演变规律，定性/定量地评估波纹芯层厚度、填充泡沫力学性能对结构承载特性的影响。

1  试样设计

1.1  试样几何构型

文献[6]基于ABAQUS平台建立了复合材料波纹夹层结构的数值模拟方法，并用试验数据和解析方法进行了验证。本文开展泡沫填充波纹夹层结构的数值模拟研究。试样尺寸为96mm×96mm×14.85mm（长×宽×高），如图1所示。面板厚度1mm。波纹芯层横截面如图1（a）所示，由三个梯形单胞组成，单胞的主要几何尺寸见图1（b）。

为研究芯层波纹板对夹层板平面承载能力的影响，设计了0.5mm、0.6mm、0.8mm三个板厚规格的波纹芯层。此外，为研究泡沫的力学性能对夹层板平面承载能力的影响，设计了PUR（polyurethane，聚氨酯泡沫）材料、泡沫铝两种填充材料。试样的编号代码及主要参数列于表1。

（a）试样横截面

（b）单胞几何参数

图1 试样的几何构型（单位：mm）

表1 试样编号及主要参数

1.2  材料力学性能

在万能试验机上进行铝合金准静态单轴拉伸试验[8]，拉伸位移加载速率为2mm/min，应力应变关系见图2（a）。铝合金材料密度为2700kg/m?，弹性模量70GPa，屈服极限304MPa。在万能试验机上进行PUR试样单轴压缩试验，压缩位移的加载速率为2mm/min，应力应变关系见图2（b）。PUR泡沫的密度为130kg/m?，弹性模量14MPa，屈服极限1.04MPa。泡沫铝[4]的密度330kg/m?，弹性模量114MPa，屈服极限4.70MPa，单轴压缩的应力应变关系见图2（c）。

（b）聚氨酯泡沫

（c）泡沫铝 [4]

2  有限元模型

如图3所示，有限元模型由基础、试样和压头三部分组成。压头和基础为刚体，基础固定不动，压头约束除垂向位移以外的所有自由度。如图3（b）所示，采用实体单元建模，试样采用带沙漏控制的C3D8R（三维八节点缩减积分）实体单元。压头、试样及基础之间采用接触定义，摩擦系数为0.1。在试样中，填充泡沫、面板及波纹芯层的连接界面之间采用Tie约束，即认为连接界面不产生滑移及撕裂，这种近似处理方法大大减小了计算量，且能保证合理的计算精度[6， 10-11]。

3  结果及讨论

3.1  波纹芯层厚度对平压性能的影响规律

为研究PUR填充泡沫对波纹夹层结构平压性能的影响，对厚度为0.5mm、0.6mm和0.8mm三个规格梯形波纹芯层的试样进行平压性能有限元数值模拟。图4-图6分别列出了三种厚度规格的试样的力-位移曲线对比及变形模式对比。从图中的力位移曲线可以看出，三种PUR泡沫填充的试样的失效模式都是芯层腹板屈曲，PUR泡沫填充使得试样的临界屈曲载荷有不同程度的提高。芯层的腹板屈曲后，载荷呈迅速下降之势，随后稳定在一个较低的“平台区”，即载荷随着位移的增大呈缓慢降低之势。芯层腹板在屈曲后迅速形成塑性铰线，无填充试样主要靠腹板塑性变形吸能;泡沫填充试样除了腹板塑性吸能之外，PUR泡沫受压也吸收一部分能量，因此有填充试样的横向力略大于无填充试样。随着位移的增加，芯层腹板的变形也逐渐增大最终在芯层腹板与泡沫的连接界面处产生撕裂。

图7列出了六种试样临界屈曲载荷的变化规律。从图7中可看出，波纹芯层厚度为0.5mm时，PUR泡沫填充使临界屈曲载荷增加了45%，增强作用较为明显;波纹芯层厚度为0.6mm时，PUR泡沫填充使临界屈曲载荷增加了14%;而波纹芯层厚度增大至0.8mm时，临界屈曲载荷仅增大约3%。由此可见，泡沫填充材料对波纹芯层的增强效应随着芯层刚度的提高而降低。

3.2  泡沫性能对夹层板平压性能的影响规律

为研究不同泡沫对夹层板平压性能的影响，对波纹芯层厚度为0.5mm的无填充试样、PUR泡沫填充试样及泡沫铝填充试样的平压性能进行有限元数值模拟。图8列出了波纹芯层厚度为0.5mm的试样A-1（无泡沫填充）、B-1（PUR泡沫填充）及C-1（泡沫鋁填充）三种试样平面压缩的力-位移曲线。为便于比较，图中还列出了等体积的PUR泡沫及泡沫铝平面压缩的力-位移曲线。

从图8中的曲线可看出，C-1（泡沫铝填充）试样的变形可分为三个过程：线性阶段、后屈曲阶段、后屈服阶段。从图8中可以看出，泡沫铝显著地增强了夹层板结构的极限承载能力及吸能能力。图9列出了三种试样的变形模式，C-1试样的变形模式与A-1、B-1明显不同，呈现高阶屈曲形态。泡沫铝具有更高的弹性模量及屈服极限，芯层腹板在轴向压力作用下的屈曲模式由一阶屈曲变为高阶屈曲，大大提高了芯层腹板的临界屈曲载荷。此外，腹板的高阶屈曲模式使腹板在屈曲后迅速形成了多个塑性铰线。在这些因素的共同作用下，泡沫铝填充波纹夹层板结构的吸能能力大为提高。

4  结论

基于ABAQUS有限元软件平台对泡沫填充波纹夹层板混杂复合结构平面压缩承载特性进行数值模拟，通过改变芯层波纹厚度、改变泡沫材料特性的系列计算，得出主要结论如下：

（1）泡沫填充材料可提升波纹夹层板结构的临界屈曲载荷及能量吸收能力;

（2）低强度聚氨酯泡沫填充材料对波纹夹层结构有一定的加强作用，芯层越弱加强作用越明显;

（3）高强度泡沫铝填充材料对波纹芯层的支撑作用使芯层腹板的屈曲模式由一阶屈曲向高阶屈曲转变，可大幅提升结构的极限承载能力及能量吸收能力。