游艇泡沫夹层结构有限元分析方法

2019-07-03

船海工程 2019年3期

(海海事大学 a.商船学院; b.海洋科学与工程学院，上海 201306)

夹层复合材料在游艇的设计建造中应用较为普遍。与常规单体钢质船体相比，夹层玻璃钢游艇复合材料各向异性的力学特点使设计和计算的难度大大增加。国内外对于常规钢质船舶的直接计算方法已广泛应用，但对夹层复合材料游艇有限元分析少见报道，大都还是采用传统的规范计算法。已有的相关研究对泡沫夹层结构本身的力性能研究不多，主要集中的总体的结构性能分析[1-10]，并且目前各国船级社对于双体复合材料船型的计算都没有完善的规范要求。针对复合材料双体游艇结构计算方法。本文采用有限元法分析有芯和无芯帽形骨材泡沫夹层结构在同样载荷、同样边界条件下的受力情况以及夹层板结构芯材直接计算方法，为泡沫夹芯材料在游艇的应用提供技术支持。

1 玻璃钢的平面应力假设

玻璃钢面板的层压厚度同长度和宽度尺寸相比较小，因此认为σ3=0，τ23=τ31=σ4=σ5=0，此时，认为玻璃钢面板处于平面应力状态，该状态下正交各向异性玻璃钢板的应力-应变关系为[11]

式中:σi表示应力分量,i=1,2,3,4,5,6。

对二维柔度矩阵Sij求逆得到出二维刚度矩阵Qij

将Sij中的系数总体求逆，由Cij=(Sij)-1，得到

(2)

由式(2)可知，除C66外，通常情况Qij

将折减刚度系数Qij用工程弹性常数表示为

2 夹层结构介绍

夹心层结构是由高强度的蒙皮(上、下面板)与轻质中间芯材组合成的复合材料，应用较多的泡沫(PVC)夹层结构见图1，蜂窝夹层结构见图2。由于采用夹芯材，上下可以用薄层合板制成彼此间隔很大(相对于常规的板材而言)的结构。所以夹层结构表面上看似很厚重其实重量很轻，而强度与刚度却都很高。

图1 泡沫夹层结构

图2 蜂窝夹层结构

玻璃钢夹层结构的上下面板就是玻璃纤维层合板，由两层及两层以上玻璃钢单层板按一定的层级次序通过基体树脂粘结在一起制成的结构板。其中任何一层单层板的铺层成分、厚度和纤维方向、角度等均可不同，因此，层合板具有很强的设计灵活性，但也造成了力学性质的非均匀性和不确定性，力学特性相对复杂[12]。玻璃钢层合板能承受较大的拉力，强度高，但刚度差，易发生形变，所以单纯的玻璃钢面板容易失稳变形。

泡沫芯材是一种由气体填充而成的低密度轻质泡沫塑料，材料性能参数见表1。按树脂类型可分为聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、丙烯腈-苯乙烯泡沫及聚甲基丙烯酰亚胺泡沫等[13]。本文所述游艇采用玻璃钢层合板和PVC泡沫芯材组合成的夹层结构。

针对骨材有芯材和无芯材两种情况，利用PATRAN有限元软件分别建立有PVC泡沫芯材、无芯材两种有限元模型，对比两种模型间应力应变的大小和分布情况。帽形梁的具体尺寸从本文研究的23.94 m双体玻璃钢游艇外底板上得到，帽形梁截面为90 mm×90 mm的矩形，带板宽度按CCS《纤维增强塑料船建造规范》(2015)[14]求得。具体尺寸见图3。

图3 两种型材几何尺寸示意

有限元计算时模型所施加的边界条件(帽形材两端简支)、载荷相同。有限元模型见图4。

图4 帽形骨材的两种有限元模型

对两种模型分别施加均布面载荷计算应力及变形，结果见表2～4。

表2 最大等效应力 MPa

表3 最大剪应力 MPa

表4 最大位移变形

以0.02 MPa均布压力为例，边界条件为帽形材两端简支，应力结果见图5～7。

图5 帽形材等效应力

图6 帽形材剪应力

由上述图表可知：有无泡沫芯材两种模型的等效应力、最大剪应力以及最大变形的应力分布与变形分布情况等几乎相同，有无芯材几乎不影响直接计算结果，主要取决于芯材的机械性能参数，玻璃钢帽形骨架的泡沫芯材仅在施工时起到支撑作用，方便加工，而对骨架的承载能力没有太大贡献。因此，进行有限元分析计算时可以忽略；忽略芯材的影响，减少建模工作的复杂程度。