摘要：
随着工业、旅游业、运输行业的不断发展，船舶在我们的生活中起着越来越重要的作用。所以保证船舶在行驶时的安全成了我们必须面对和尽快解决的问题。而舰船的防护层在面对水下爆炸时对船舶的保护能力就是其中一个重要的研究课题。本次研究根据舰船的防护需求，为其设计一种纤维增强复合材料夹层结构[1],并进行抗水中爆炸防护特性仿真计算，最终为舰船防护设计提供帮助。
关键词：夹层板 冲击载荷 有限元模拟 复合材料
1.1课题研究背景
随着舰船科技的发展，复合材料在船舶领域中得到了广泛的应用。船用复合材料夹层板具有耐腐蚀、无磁性、导热系数低、易于加工成型和可设计性好等优点[2]。但复合材料夹层板的力学行为比较复杂，对其力学性能开展相关研究，有利于复合材料夹层结构在船体结构上的推广应用和优化设计，具有一定的理论价值和工程指导意义。夹层结构一般是由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成，这5个要素组成了1个整体的夹层结构。夹层结构传递荷载的方式类似于工字梁。上下面板(翼板)主要承受由弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，而芯材(腹板)主要承受由横向力产生的剪应力[3]。
本论文基于层合板理论，考虑船用夹层板的结构特性，对复合材料夹层结构的静力学问题拟进行理论和数值仿真分析。建立适用于复合材料夹层结构的力学模型并编程实现理论求解，在验证理论模型准确的基础上，分析夹层结构弯曲特性、自由振动和动态响应及参数影响；并且基于有限元软件，对船用复合材料夹层板在外物冲击作用下的抗冲击性能进行了研究；并将复合材料夹层板应用于船体板架结构中，对复合材料船体板架结构的静力学问题进行了仿真分析[4]。文中结论对新型复合夹层结构在船体中的应用和优化设计提供了依据和参考。为了进一步指导复合材料夹层板在船舶结构中的应用,对复合材料夹层板架结构进行静态力学性能分析，同时讨论筋材尺寸及面板铺层角度对结构性能影响[5]。
1.2 国内外研究状况
1.2.1 船用复合材料的研究现状
近年来，纤维增强复合材料正在船舶领域中得到越来越多的应用，其中应用比较早也比较多的就是玻璃纤维增强热固性树脂复合材料，也就是我们俗称的玻璃钢。近年来，更多的复合材料陆续“登船”，用于造船的复合材料已经成为船用材料工业里不可忽视的力量[6]。尤其是那些对性能有特殊要求的船舶，船体采用复合材料的几率大大增加。未来，船用复合材料将会越来越广泛地应用在船舶之中，继而成为船用材料工业领域里的性能担当。直到目前，世界上已有多个国家建造出大量采用复合材料建造的船舶，而且性能也是相当可观。其中，采用复合材料建造的具有代表性的巡逻艇是挪威海军的“盾牌”级巡逻艇。该船是双体气垫效应艇，它的长度是46.8米，宽度是13.5米，满载排水量是270吨[7]。这艘巡逻艇是完全由聚氯乙烯泡沫夹芯和玻璃纤维及碳纤维面板组成的夹层复合材料建成的。1974年，瑞典建造了世界上第一艘以 PVC 泡沫塑料为夹芯且玻璃钢为面板的夹层结构扫雷艇“Viksten”号，到上世纪的 90 年代初期，已经建造了多艘大型的复合材料夹层结构的猎扫雷艇，此外瑞典还应用夹层结构技术建成了多艘海岸巡逻艇[8]。1991年，瑞典成功建造了第一艘复合材料隐形试验艇“Smyge”号，这艘艇采用了玻璃纤维与碳纤维混杂技术和 PVC泡沫夹芯结构建造而成，提高了该船的速度和隐身性能，集成了先进复合材料技术、夹层结构技术、隐形技术等多种技术于一体，是当代世界高新技术舰船[9]。
1.2.2 夹层板理论和有限元分析研究现状
