1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1目的：

船舶在航行过程中会受到各种冲击载荷的威胁。除了碰撞搁浅这一类的强冲击载荷之外，货物坠落和浮冰碰撞等冲击载荷也会造成船舶结构损伤，降低船舶的结构完整性和安全性。为了提高船舶的防撞性，使船舶更安全可靠，许多学者在此方面做出了大量研究。提高防撞性的传统方法是加厚钢板，而从船运效益方面考虑，增加钢板厚度会使船体结构重量增加，船舶的实际装载量减少。而船舶轻量化设计的理念是在满足结构强度与刚度的前提下，降低船体结构重量，达到提高航运效益的目的。目前，船舶轻量化设计已经成为了发展趋势，实现船舶轻量化最直接有效的方法是运用新材料和新工艺。早在六十年代，美国海军就建造了第一艘由复合材料建造而成的巡洋舰^[1]。对复合材料在船体上应用的研究一直没有停止过。复合材料夹层结构是由性质不同的表面材料和芯材组合而成，具有高比强度、高比刚度、低密度、隔音降噪、防火性好、耐腐蚀、耐疲劳、抗冲击性好等优良性能，其在船体结构中的应用受到越来越多学者的关注。

1.2意义（含国内外的研究现状分析）：

复合材料夹层结构的芯层主要包括木材、金属网格、聚合物和金属泡沫、聚合物或金属蜂窝等^[2]。夹芯材料类型对夹层板的力-位移曲线、能量吸收、破坏机制以及抗击穿能力有很大影响^[3]。因此，许多学者对不同夹芯材料的本构关系和力学性能进行了研究。由于泡沫铝具有优良的能量吸收性能,泡沫铝夹芯板已经广泛应用在各种吸能装置中。泡沫材料的典型应力-应变曲线一般都有三个阶段：线弹性响应、以平台应力为特征的屈服，以及应力随着应变快速增长的压实阶段^[4]。2000年，Olurin 等人对带有缺口和无缺口的闭孔泡沫铝进行了准静态压缩和拉伸实验，实验结果表明泡沫铝的压缩和拉伸强度对缺口并不敏感^[5]。2013年，陈静友和李成兵针对泡沫铝做了准静态压缩实验和应变范围为700-2600/s的动态压缩实验，随着应变率提高，泡沫铝的延展性下降，并出现屈服滞后和断裂滞后现象^[6]。2015年，敬霖等分析概述了多孔金属材料遭受准静态和动态冲击载荷的理论、实验，由于多孔金属材料微观结构复杂并伴有初始缺陷，材料的本构关系与力学性能还没有统一的认识^[7]。蜂窝材料和金属泡沫同属于多孔金属材料，蜂窝材料是各向异性的，其力学性能通常从面内 (in-plane) 性能和面外 (out-of-plane) 性能两个方面来描述。2005年，卢文浩和鲍荣浩利用理论分析和有限元数值模拟研究了六边形蜂窝单个胞体在冲击载荷下的压缩变形情况，结果表明，面内冲击作用下，影响蜂窝面内弹性的参数只有壁厚与孔的边长比，且蜂窝吸能作用良好^[8]。在实际工程应用中，由于蜂窝材料优良的吸能特性且相较于面内承载，其面外承载能力更强，该材料常被设计成用于面外承载的部件。2013年，徐天骄等人对蜂窝材料做了面外静态压缩实验，实验得到的应力-应变曲线与泡沫铝类似^[9]。以PVC泡沫为芯层的夹芯板已经广泛应用于游艇、帆船的结构中^[10]。由于近些年来相关法规的出台，船厂必须要考虑废弃物的对环境的影响，铝是一种公认的绿色材料，所以泡沫铝和蜂窝铝夹芯板是PVC泡沫夹芯板很好的替代品^[11]。Balsa轻木作为一种常见的夹芯材料，其力学性能与多孔金属和聚合物泡沫有所差异。Balsa轻木顺纹方向、横纹径向和横纹切向的抗压性能各不相同，研究表明，Balsa轻木顺纹方向的力学性能最优异^[12]。2007年，Silva 和Kyriakides对Balsa轻木的力学性能和失效机制进行了详细的研究分析^[13]。

多孔夹芯材料质量轻、吸能性能好，但是和钢材相比强度较弱，这限制了夹芯材料的单独应用。将夹芯材料和面板结合在一起形成夹层结构可以在确保结构完整性的前提下,提高能量吸收能力。

2010年，Atas和Sevim对芯层是Balsa木和PVC泡沫的夹层结构进行了冲击动力响应的研究^[14]。2011年，宋延泽等人通过实验和数值模拟研究分析了在泡沫金属子弹冲击下，冲量、芯层厚度以及夹芯材料类型对夹芯板抗冲击性能的影响，实验和数值仿真结果表明，蜂窝夹芯板的抗冲击性能优于泡沫铝夹芯板^[15]。2011-2014年，Crupi等人对PVC和泡沫铝夹芯板^[10]，铝蜂窝和泡沫铝夹芯板^[11]，层状复合材料、PVC泡沫夹芯板、泡沫铝夹芯板、蜂窝夹芯板和层合木板^[16]分别进行了比较研究，研究手段都是相同的，即对不同夹芯材料的夹层板进行低速冲击实验，分析夹芯板在冲击载荷下的失效模式、冲击强度以及能量吸收情况。

2015年，Yang等人利用实验和数值方法对影响泡沫铝夹芯板抗击穿性的因素（面板和芯层厚度、冲头形状、冲击速度）进行了研究^[17]。2018年，Zhu等人对泡沫铝夹芯板进行了20℃和-60℃下的单次和重复冲击实验，研究低温对泡沫铝夹芯板的影响^[18]。

2003年，Hazizan和Cantwell等人使用降落冲击塔对铝蜂窝夹芯板进行落锤实验，研究夹芯板的低速冲击响应并使用简单的能量平衡模型模拟夹芯板的冲击响应^[19]。2012年，基于能量平衡模型，Crupi使用实验和数值方法结合的方法对两种孔径的铝蜂窝夹芯板的低速冲击响应进行了研究^[20]。

2016年，Wang等人研究了中等速度下，不同芯层材料(低密度和高密度Balsa木、软木、聚丙烯蜂窝、聚苯乙烯泡沫)夹芯板的动态响应，比较了五种夹芯板的接触力大小、能量吸收、压痕深度以及整体变形情况^[3]。

2015年，刘昆等使用数值模拟方法对同等重量下的夹层板和传统船用夹层板在水下爆炸冲击载荷下的力学行为进行研究，仿真实验结果表明相较于加筋板，夹层板变形更充分对水下冲击载荷的吸能性能更佳^[21]。2016年，田媛等使用LS-DYNA模拟分析砰击载荷下等重的轻质波纹夹芯夹层板和加筋板的非线性力学行为，研究表明轻质波纹夹芯夹层板有更好的抗砰击性能^[22]。

船用夹层板结构重量轻且具有优良的力学性能，能量吸收能力强，在船舶上具有广泛的应用前景。因此对船用夹层结构的研究十分有意义。

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1基本内容：

本次毕业设计主要通过实验方法，研究船用夹层板在冲击载荷下的结构动态响应。主要内容有如下几点：

1) 1）阅读大量相关文献，了解船用夹层板夹芯材料的结构特点与力学特性，设计实验路线。

2) 2）设计夹芯材料准静态压缩实验方案以及面板的拉伸实验方案，购买材料并加工试件，进行压缩和拉伸实验，获得材料的应力-应变曲线。

3) 3）设计不同夹芯材料夹芯板的冲击实验，研究典型夹芯板的抗冲击性能并进行比较，进行预实验。

4) 4）进行不同夹芯材料夹芯板的冲击实验，采集数据，分析结果，得到抗冲击性能较好的夹芯板。

5) 5）对抗冲击性能较好的夹芯板进行不同能量下的冲击结构响应研究，设计系列冲击实验方案。

6) 6）进行实验，采集实验数据，分析结果。

2.2技术方案及措施、目标：

上述内容按照如下技术方案展开:首先，在文献调查阶段要了解若干种典型夹芯材料及其夹芯结构的结构特征和力学性能，在此基础之上设计实验方案。实验分为两部分，分别为夹芯和面板的材料实验以及夹芯板的冲击实验，材料实验对冲击实验起辅助作用。冲击实验还分为两个阶段，第一阶段是对不同夹芯材料夹芯板进行冲击实验，第二阶段是在第一阶段的基础上，针对抗冲击性较好的夹芯板进行系列冲击实验。上述技术方案如图1所示。

第1－2周：查阅相关文献资料，了解研究对象的力学性能与特点，明确研究内容，了解设计要求。确定研究方案，完成开题报告。

第3周：阅读国内外相关文献，翻译具有重要参考价值的英文文献。

第4周：参考其他文献资料，设计不同夹芯材料夹芯板的冲击实验方案以及针对一种夹芯板的系列冲击实验方案。

第5－6周：设计、加工实验夹具，购买实验材料。

第7周：进行夹芯和面板的准静态材料实验，获得应力-应变曲线，处理实验数据并进行分析。

第8－9周：进行船用夹层板冲击实验，获得力-位移曲线以及夹芯板的最终挠度。整理实验数据，分析比较不同夹芯材料夹芯板的抗冲击性能。

第10－11周：针对一种夹芯板进行系列冲击实验，分析夹芯板的抗冲击性能随着冲击能量变化的规律。

第12－13周：撰写论文初稿，修改并完成毕业论文，提交论文。

第14周: 准备论文答辩。

4、参考文献

[1] Mouritz A P, Gellert E, Burchill P, et al. Review ofadvanced composite structures for naval ships and submarines[J]. CompositeStructures, 2001, 53(1):21-42.

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[3] Wang H, Ramakrishnan K R, Shankar K. Experimentalstudy of the medium velocity impact response of sandwich panels withdifferent cores[J]. Materials amp; Design, 2016, 99:68-82.

[4] Lu G, Yu T. - Energy absorption of structures andmaterials[J]. Energy Absorption of Structures amp; Materials, 2003:385–400.

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[22] 田媛, 刘均, 汪浩,等. 砰击载荷下轻质波纹夹芯夹层板动力响应特性分析[J]. 船舶力学, 2016,20(10).