1.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，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。

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^[1]，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。其中波纹夹层结构由于其优越的可加工性和较好的纵向和法向刚度，是目前采用最为广泛的夹层结构之一。

2.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。

Xue等^[2]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，夹层结构的的抗爆性能更优，尤其是在水下爆炸载荷下。任鹏等^[3]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。

侯淑娟等^[4]在面板厚度和夹芯层密度相同的条件下对梯形和三角形波纹夹层板在冲击载荷下的耐撞性进行对比研究，其结果表明三角形波纹夹层板结构比梯形波纹夹层结构具有更好的耐撞性。Rubino等^[5]和St-Pierre等^[6]先后通过实验研究了Y型波纹夹层梁、三角型波纹夹层梁在冲击载荷下的动态响应特性，前者进行的是速度为30~426m/s的金属泡沫弹丸的高速冲击，而后者进行的是冲头速度为5m/s的落锤冲击实验，结果均表明Y型波纹夹层梁和三角型波纹夹层梁的动态响应特性几乎无差别，且后者提出在冲击速度低于5m/s时，速度变化对夹层面板的响应影响不大，此时可以采用准静态实验替代动态冲击实验。潘晋等^[7]基于数值模拟方法，讨论了撞击速度、波纹核形状与界面连接情况对铝合金波纹夹层板的耐撞性的影响，发现撞击速度小于5m/s时撞击力峰值不会有太大波动；在低速冲击下三角形波纹夹层板的吸能效果优于波纹核形状为梯形与弧形的夹层板。骆伟等^[8]和郁荣等^[9]基于落锤冲击实验和数值模拟，以复合材料面板和铝合金夹层组成的混合波纹结构为研究对象，对5种不同芯层几何构型的波纹夹层结构的冲击性能进行比较分析，结果表明在不同冲击能量下，不同芯层几何构型的波纹夹层结构动力响应特性和吸能特性有较大的差别：低能冲击下，余弦形和圆弧组合形芯层的波纹夹层结构吸能也较小，三角形、梯形和矩形芯层的波纹夹层结构最终吸能较大；高能冲击下，5种不同几何构型芯层的波纹夹层结构动力响应特性和吸能特性基本相同。

张延昌等^[10]先是基于数值仿真方法，在不考虑上下面板的情况下研究了单独的波纹夹芯结构在横向碰撞载荷下的力学行为和夹芯结构尺寸参数对其耐撞性能的影响。随后张延昌等^{[11, 12]}和俞鞠梅等^[13]又通过准静态压皱试验和数值仿真研究了梯形波纹夹芯板和三脚形波纹夹芯板的压皱力学行为及吸能特性，提出了两种不同单元变形模式，变形模式由夹芯层初始塑性位移缺陷决定，夹芯层结构变形模式对结构的压皱行为及其压皱性能有显著的影响，同时也指出夹层厚度是对压皱力学性能影响最为显著的结构参数之一。张延昌等^[14]还进一步提出5种类型20种新式波纹夹芯结构，并利用Abaqus数值仿真对比分析不同形式的夹芯层结构在横向压皱载荷下的变形模式及吸能特性。

朱健等^[15]利用数值仿真软件，研究在爆炸载荷作用下夹芯板面板和芯层的变形过程，讨论了面板、芯层的厚度和屈服强度对波纹板变形响应和能量吸收的影响。Boonkong等^[16]研究了芯层几何构型为正弦曲线的铝合金波纹夹层板在低速碰撞载荷下的失效机理与能量吸收特性，并指出穿孔能量随着冲击角度的增加而增加，并且随着射弹直径的增加而增加。对七种不同的全金属夹层结构的研究表明，铝合金在低速冲击载荷条件下具有最高的特定穿孔阻力。陈凯等^[17]利用有限元软件Ansys/LS-DYNA，对钢制梯形波纹夹层板在低速碰撞载荷作用下的动态响应进行数值仿真研究，分析碰撞能量、冲头直径大小、碰撞位置和冲头入射方向对夹层板耐撞性能的影响。Liu等^{[18, 19]}针对碳纤维增强复合材料（CFRP）面板与铝合金梯形波纹芯层混合的夹层板，开展了通过一系列的低速冲击试验，研究了冲击能量、芯层厚度、冲击位置和冲头形状对结构吸能特性和损伤失效模式的影响。Zhou等^[20]基于试验和数值模拟研究了全复合材料波纹夹层结构压缩特性，并重点分析了波纹夹层结构压缩特性的尺寸效应。

侯淑娟等^[4]以最大吸能为衡准量，基于响应面法对低速冲击载荷下的梯形和三角形波纹核的尺寸参数进行优化设计。除此之外侯淑娟等^[21]和K#305;l#305;#231;aslan等^{[22, 23]}通过准静态压缩实验和数值仿真分析了两层和多层波纹夹芯板的耐撞性，其中前者还对结构形式为两层的波纹夹芯板进行了耐撞性优化设计。张志理等^[24]基于数值模拟方法，以夹芯层材料厚度、夹芯层高度、外面板厚度及内面板厚度为优化变量，采用MIGA 与NLPQL 相结合的组合优化设计方法，对爆炸载荷下的波纹板防护性能进行了优化设计。