低速冲击下台阶泡沫芯复合夹层梁的动态响应与损伤特性

《Ocean Engineering》：Dynamic response and damage characteristics of stepped foam-core composite sandwich beams under low-velocity impact

　　

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  揭示了阶梯状泡沫夹层梁的三阶段变形/失效机制。
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  建立并实验验证了一个两阶段载荷 - 挠度理论模型。
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  正梯度泡沫芯材通过减小背板挠度表现出最佳的抗冲击性。

Introduction

纤维增强聚合物 (FRP) 和基于 FRP 的夹层结构因其高比强度、高比刚度、低磁性特征、优异的耐腐蚀性和显著的设计灵活性，已被广泛应用于巡逻艇、扫雷艇、高速艇和大型海军舰艇的承重部件中 (Birman and Kardomateas, 2018, Galos et al., 2022, Xiao et al., 2023, Khan et al., 2025)。由 FRP 面板和聚合物泡沫芯材组成的复合材料夹层板在船壳、甲板、舱壁和其他结构部件中尤为普遍，它们在减轻重量的同时保持高弯曲刚度和能量吸收能力。然而，在航行和操作过程中，船舶不可避免地会暴露于低速、大质量冲击事件中，包括礁石搁浅、船只碰撞、靠泊冲击以及漂流碎片撞击。此类事件是造成局部损伤、功能失效，以及严重情况下的船体结构沉没的主要原因 (Tran et al., 2021)。因此，复合材料夹层结构的低速冲击行为持续受到广泛关注 (Guo et al., 2024)。

近年来，关于夹层结构低速冲击行为的研究主要考察了由单一均匀泡沫芯材组成的构型 (Birman and Kardomateas, 2018, Feng and Aymerich, 2020, Kumar and Ahmed, 2020, Yalk?n et al., 2023)。密度梯度夹层结构比均匀夹层结构具有更大的能量吸收能力和改进的界面相容性 (Jing et al., 2017)。连续密度梯度泡沫的制造仍然相对困难；因此，采用阶梯状密度梯度泡沫芯材的夹层结构受到了广泛的研究关注。

大多数现有研究考察了由金属面板和铝泡沫 (Sun et al., 2018, Jing et al., 2017, Yan et al., 2025, Zhou and Jing, 2023) 或聚合物泡沫 (Kazemi, 2021, Kazemi, 2022, Mahgoub et al., 2024) 芯材组成的阶梯状夹层结构，而 comparatively 少的研究考虑了结合复合面板与铝泡沫 (Zhang et al., 2021, Zhang et al., 2023, Zhu and Sun, 2020, Zhu and Sun, 2021) 或聚合物泡沫 (Kaboglu et al., 2018) 芯材的阶梯状构型。关于低速冲击行为的研究主要集中于冲击力和挠度，而冲击力在整个结构中的内部衰减模式尚未得到定量表征。为了消除现有文献中“正/负”梯度定义不一致产生的歧义，正梯度芯材定义为密度从冲击面向背板方向增加的芯材，而负梯度芯材定义为密度从冲击面向背板方向减小的芯材。在此统一定义下，进行了后续的文献综述和实验结果分析。关于哪种构型提供最佳抗冲击性的研究结果也存在冲突。例如，Sun 等 (2018)、Yan 等 (2025) 和 Zhang 等 (2021) 通过实验和数值分析表明，在低速冲击下，具有负梯度芯材的夹层结构显著增加了上面板的局部弯曲刚度。这种构型将初始失效模式从局部压痕或面板穿孔转移到整体芯材剪切和脱粘，使芯材内部产生更广泛的塑性变形和能量耗散，从而提供最大的抗冲击性。相反，Kaboglu 等 (2018) 进行的准静态和高速冲击实验表明，具有低密度上层的正梯度构型有效地将芯材剪切开裂和面板断裂限制在低密度层。这种响应通过塑性变形产生最高的能量吸收，并且比均匀和负梯度构型产生更好的性能。然而，Jing 等 (2019) 报告了不同的结果，观察到梯度设计产生了薄弱的层间界面和变形不相容性，从而降低了整体弯曲刚度，导致正梯度和负梯度夹层梁的承载能力均低于具有均匀高密度芯材的梁。然而，均匀高密度构型更大的承载能力可能仅仅源于其更高的芯材刚度。这些未解决的问题限制了由聚合物泡沫芯材组成的复合材料夹层结构的抗冲击设计和实际实施。

本研究考察了一种由玻璃纤维增强聚合物 (GFRP) 面板和双层聚氯乙烯 (PVC) 泡沫芯材组成的阶梯状复合材料夹层结构，特别强调海洋工程中常见的大质量、低速冲击场景。进行了包含嵌入式聚偏氟乙烯 (PVDF) 压力传感器的落锤冲击实验，以表征双层泡沫芯材内的压力传递和衰减机制，并阐明芯材密度比和厚度比对结构变形模式、能量吸收和背板损伤进展的影响。预计这些结果将为优化海洋复合材料夹层结构的抗冲击设计提供理论基础和工程指导。

Section snippets

Mechanical properties

复合材料夹层梁试件由两层 GFRP 面板、三层商业环氧胶粘剂层和一个 PVC 泡沫芯材组成。每个试件的整体尺寸为 460 mm $\times$ 60 mm $\times$ 28 mm。GFRP 面板由 E 玻璃单向布和环氧树脂制造，铺层为 [0/90]${}_{\text{ns}}$，总厚度为 4 mm，单层厚度为 0.16 mm。芯材由两层粘接的 PVC 泡沫层组成，组合厚度为 $c=20\mathrm{mm}$。

胶粘剂是一种双组分室温

Failure modes

如图 6 所示，复合材料泡沫夹层梁在低速冲击下表现出三种不同的失效模式，描述如下：

模式 I：发生芯材剪切断裂，断裂面相对于纵轴呈约 45° 角。在面板/芯材界面处发生局部脱粘，整体变形剖面呈现"Z"形构型 (图 6(a)–(f))。

模式 II：前面板的前侧出现纤维压缩断裂

Concluding remarks

在本研究中，设计并制造了五种复合材料夹层梁构型，包含均匀、正梯度和负梯度泡沫芯材，并进一步考察了芯材厚度比对冲击响应的影响。实验记录了载荷 - 挠度曲线、内部压力历史和最终失效形态。结合实验结果和准静态理论模型，阐明了变形和失效机制。

CRediT authorship contribution statement

彭养生：写作 – 初稿，软件，方法论，形式分析，概念化。 罗银勤：监督，项目管理，形式分析。 李典：监督，形式分析，数据整理。 李永清：监督，形式分析，数据整理。 赵主杰：可视化，监督，软件。 任晓宇：可视化，软件。 侯海亮：写作 – 审查与编辑，方法论，概念化。

Declaration of competing interest

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

彭养生 | 罗银勤 | 李典 | 李永清 | 赵主杰 | 任晓宇 | 侯海亮