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海水对PVC泡沫夹芯板的局部力学性能影响研究

摘要

复合材料泡沫夹芯结构在船舶制造领域中应用广泛，但在实际应用场景中其不可

避免地需要与船舶上的其他结构进行组装并引入紧固件导致应力集中，使用密度更高

的芯材取代夹芯结构中原芯材的一部分可以实现夹芯结构的局部加固，但结构中存在

材料与几何的不连续性也会导致应力集中效应，而局部连接界面几何的优化能有效减

少局部连接处的应力集中效应。与此同时，泡沫夹芯结构在船体中应用服役时需要暴

露在海水环境中，海水环境作用下静态力学性能、层间断裂韧性、拉脱破坏强度等会

发生改变。本文针对PVC泡沫夹芯板，主要从事的研究工作如下：

首先，介绍了芯层局部连接PVC泡沫夹芯板的制备方法和实验环境条件的设置方

法，对面板拉伸试件，PVC泡沫夹芯板平面压缩试件、三点弯曲试件、DCB试件、拉

脱试件进行制备，设置了低温处理环境和不同温度的海水环境，对PVC泡沫夹芯板及

其组分进行浸泡温度设置包括20℃、40℃、60℃下的吸湿实验，确定泡沫密度、面板

形式、浸泡温度、比表面积因素对吸湿性能的影响，并结合吸湿过程PVC泡沫夹芯板

及其组分吸湿性能的变化为其力学性能的变化提供湿热老化角度的解释，于此基础上

进行了PVC泡沫夹芯板及其组分的静态力学性能测试，包括PVC泡沫夹芯板及其芯子

的平面压缩性能测试、面板拉伸性能测试、PVC泡沫夹芯板三点弯曲测试，确定不同

湿热环境对夹芯板组分静态力学性能的影响，在研究局部连接角度及位置对芯层局部

连接PVC泡沫夹芯板的弯曲性能影响中发现综合考虑下芯层跨中120°局部连接的

PVC泡沫夹芯板弯曲性能为优，在此基础上研究了不同湿热老化环境对泡沫夹芯板的

弯曲性能影响。

其次，通过对湿热老化环境下芯层局部连接PVC泡沫夹芯板DCB试样进行层间

开裂性能测试和数值模拟分析，对比分析实验过程中的载荷位移曲线形式，确定局部

连接角度、浸泡时间、浸泡温度、低温处理时间对其界面裂纹扩展情况、临界载荷、

临界应变能释放率的影响，揭示了无海水时芯层跨中60°局部连接下临界应变能释放

率比H200泡沫夹芯板低58.43%，比H80泡沫夹芯板高2.42倍，临界应变能释放率越

大，裂纹扩展越难也越稳定，偏转概率也越小；海水环境中60°局部连接下临界载荷

与未浸泡相差不大，裂纹扩展至局部连接附近时裂纹急速扩展直至面芯完全脱粘，而

120°连接下裂纹扩展至局部连接附近后芯层局部连接界面先完全脱粘；随着浸泡时间

哈尔滨工程大学硕士学位论文

增加试样临界载荷逐渐增加，归结于胞元壁屈曲破坏、夹芯板固结应力的存在、吸湿

塑化、固结应力的释放联结作用；浸泡温度为40℃时试样面芯界面韧性得到增强，吸

湿塑化减缓固结应力的效果最强；低温处理后临界载荷相比未处理时降低，但相比仅

浸泡处理有明显升高，临界应变能释放率亦然。

最后通过湿热环境影响下PVC泡沫夹芯板进行螺栓拉脱实验和数值模拟分析，确

定预埋深度、浸泡时间、浸泡温度、低温处理时间对其亚临界失效载荷及位移、最大

破坏载荷及位移的影响，表明了预埋深度为25mm时各项拉脱破坏性能均比预埋深度

为12.5mm的要高；随着浸泡时间增加，吸湿过程中老化程度逐渐加深使得胶层抗拉脱

性能逐渐降低，但浸泡一定时间后胶层出现软化并释放固结应力，从而抗拉脱性能下

降程度变小；适当增加浸泡温度可使得PVC泡沫夹芯板拉脱性能下降更少；随着低温

处理时间增加拉脱性能逐渐下降，但相比未处理和仅浸泡下最大破坏载荷均更低。研

究结果可为船舶预埋件于服役环境拉脱破坏性能的控制提供一定应用支持。

关键词：局部连接；湿热老化；泡沫夹芯板；层间开裂；拉脱

海水对PVC泡沫夹芯板的局部力学性能影响研究

Abstract

Compositefoamsandwichstructureiswidelyusedinthefieldofshipbuilding,butinthe

actualapplicationscenario,