低速冰楔冲击下矩形泡沫芯夹层板的理论研究

《Marine Structures》：Theoretical study of rectangular foam core sandwich plate under low velocity ice wedge impact

泡沫芯夹层板在低速冰楔冲击下的理论模型与能量耗散特性研究。摘要：提出基于压力-面积关系与统一屈服准则的理论模型，分析冰楔破碎能量与结构塑性变形能量耗散机制，结合迭代算法求解矩形泡沫芯夹层板的冲击响应。实验与数值模拟验证模型准确性，讨论冲击位置、冰楔厚度及板高宽比的影响，表明理论模型能有效指导极地船舶结构设计与安全分析。

　　在极地航行日益频繁的背景下，船舶结构在冰载荷作用下的冲击响应和能量吸收能力成为研究的重点。随着全球变暖，北极地区的自然资源正展现出越来越重要的战略价值，同时冰川的加速融化也使极地船只不可避免地面临冰碰撞的挑战。这些碰撞不仅可能造成结构损伤，还对船舶的航行安全提出了严峻考验。因此，研究泡沫夹芯夹层板在低速冰楔冲击下的冲击阻力和能量吸收特性具有重要的实际意义。

泡沫夹芯夹层板因其独特的力学性能，在结构安全和冲击防护领域展现出广泛的应用前景。这种结构通常由金属面层和泡沫夹芯层组成，具有较高的比刚度和比强度，同时具备良好的抗冲击能力。在低速冲击情况下，泡沫夹芯夹层板的塑性变形和能量耗散机制是研究其结构响应的关键。以往的研究主要集中在泡沫夹芯夹层结构在低速刚体冲击下的动态响应、能量吸收以及失效机制上。一些学者通过实验和数值模拟比较了金属夹芯夹层板和聚合物夹芯夹层板在刚体冲击下的冲击阻力，还分析了泡沫夹芯夹层板在低速冲击下的失效模式和冲击性能。此外，研究者还建立了某些理论模型，以指导泡沫夹芯夹层结构的快速设计。

然而，泡沫夹芯夹层板与冰碰撞的过程具有高度的非线性特征，包括材料非线性、几何非线性和接触非线性。由于碰撞过程的复杂性，一些研究通过实验和数值模拟探讨了泡沫夹芯夹层结构在冰碰撞下的动态响应。例如，有研究者进行了高冲击速度下的冰碰撞试验和碰撞后的压缩试验，以研究复合材料层板的动态响应和残余性能。其他研究则通过多尺度数值模型模拟了3D编织复合材料板在高冲击速度冰碰撞下的行为，并通过实验验证了模型的准确性。还有一些研究通过实验和数值模拟分析了冰冲击角度对蜂窝夹芯复合材料板动态响应和失效模式的影响。此外，基于流体动力学方法建立的模型也被用于研究混合波纹夹层结构在高冲击速度冰碰撞下的能量吸收特性和失效模式。

在低速冰楔冲击条件下，泡沫夹芯夹层板的冲击响应和能量耗散机制是研究的重点。通过引入冰楔的压强-面积（P-A）关系，以及泡沫夹芯夹层结构的统一屈服准则，可以准确描述冰楔在冲击过程中的破碎行为和泡沫夹芯夹层结构的塑性变形过程。冰楔破碎的能量耗散和泡沫夹芯夹层结构的塑性变形能量耗散共同构成了碰撞系统中的总能量耗散。基于这种共享能量耗散机制，研究者提出了一个理论模型，用于预测泡沫夹芯夹层板在低速冰楔冲击下的塑性变形响应和能量耗散特性。为了验证该理论模型的准确性，研究者将其预测结果与实验和数值模拟的结果进行了对比。

研究还探讨了冲击位置、冰楔厚度和夹层板长宽比对泡沫夹芯夹层板低速冰楔冲击响应的影响。结果显示，当冲击位置靠近夹层板边界时，泡沫夹芯夹层板的塑性变形减小，而冲击力峰值增大。这是因为靠近边界时，夹层板的约束效应增强，导致冰楔与夹层板之间的接触刚度增加，从而引发更严重的冰破碎。随着冰楔厚度的减小，冰的脆性行为增强，冰破碎长度和能量耗散也随之增加，这使得泡沫夹芯夹层板的塑性变形相应减小。此外，当夹层板的长宽比减小时，其塑性变形也相应减少，而冲击力峰值增加。这是由于长宽比减小后，夹层板的边界约束效应增强，导致冰破碎行为更加剧烈，从而增加了冰破碎能量的耗散。

通过实验和数值模拟的对比分析，可以发现理论模型在预测泡沫夹芯夹层板的塑性变形和冰破碎能量方面与实验和数值结果具有良好的一致性。这表明理论模型能够准确反映冰-结构碰撞的实际行为。此外，理论模型还考虑了冰破碎过程中能量耗散与夹层板塑性变形之间的相互作用，从而更全面地描述了冲击响应的机制。研究结果表明，该理论模型为泡沫夹芯夹层板的结构设计和安全分析提供了重要的理论依据。

在工程实践中，通过优化冲击位置和冰楔厚度，可以有效提高泡沫夹芯夹层板在冰碰撞下的抗冲击能力。例如，将冲击位置设置在夹层板的边界附近，可以增强结构的约束效应，从而减少塑性变形。同时，减少冰楔厚度能够提高冰的脆性行为，进而增加冰破碎能量的耗散，从而降低结构的塑性变形。此外，夹层板的长宽比对结构的抗冲击能力也有显著影响。减小长宽比可以增强结构的边界约束，从而减少塑性变形并提高冲击阻力。

这些研究不仅有助于理解泡沫夹芯夹层板在冰碰撞下的行为，还为极地船舶的结构设计提供了理论支持。通过理论模型的建立，可以更有效地评估结构在冰碰撞下的性能，从而优化设计，提高船舶在极端环境下的安全性和可靠性。此外，研究还揭示了冰破碎过程中的能量耗散与结构响应之间的关系，这对于开发新型的抗冰材料和结构具有重要意义。