2012-4-11中央高校基本科研业务费专项资金项目计划任务书

哈尔滨工程大学

中央高校基本科研业务费专项资金

项目计划任务书

项目名称：舰船轻量化夹芯结构的设计与性能预测 申 请 者： 芦 颉 所在单位： 航天与建筑工程学院 申请日期： 2011年10月21日

基本科研业务费领导小组办公室

二一一年制

填表说明

1、此计划任务书对应的基本科研业务费项目分为：重大项目培育计划、

创新团队培育计划和其他项目。

2、申报项目要在首页上计划类别相应位置划勾。

3、项目合作信息中，“合作类型”选择国际合作、国内合作或校内合

作；“合作单位”填写已选择的合作类型中相对应的单位名称；“合作者”中如是外方研究人员请填写中文译名，如是海外学术大师请予以标注。

4、如申请者申请的是创新团队培育计划项目，要在基本信息中填写团

队名称和研究方向。

5、项目获得批准后，计划任务书将作为科技档案长期保存。因此，对

表中所列各项内容，必须实事求是地填写。

6、申请者由所在单位向领导小组办公室提交纸质计划任务书一式五

份，同时提交电子版。

7、计划任务书中各栏空格不够时，请自行加页。

一、基本信息

申 请 者 信 息 项 目 信 息 合 作 信 息 姓名 职称 电话 项目名称 申请经费 合作类型 共同研究 团队名称 舰船轻量化材料研究所 芦颉 讲师 82519134 性别 男 出生 年月 1978年1月 学位 博士 主要研究领域 电子邮件 轻量化材料设计与性能评价 lujie@hrbeu.edu.cn 舰船轻量化夹芯结构的设计与性能预测 60万元 起止时间 合作单位 研究方向 舰船用轻量化材料/结构设计、分析与评价；服役条件下抗冲击材料环境模拟 2011年11月1日—2014年12月30日 合作者 二、项目组主要参与人员（注：不包括项目申请者）

编号 姓 名 1 2 3 4 5 6 7 8 总计 邹广平 唱忠良 夏培秀 吴晔 杨鹏飞 李勇贵 柴萌 孙航其 8人 出生年月 1963.3 1982.2 1980.3 1984.7 1988.5 1987.6 1989.1 1989.3 职称 教授 讲师 讲师 学位 博士 博士在读 博士在读 博士研究生 硕士研究生 硕士研究生 硕士研究生 硕士研究生 所在单位 航建学院 航建学院 航建学院 航建学院 航建学院 航建学院 航建学院 航建学院 项目分工 理论与实验指导 强度预报及失效机理研究 优化设计 夹芯结构制备 夹芯结构振动实验 波纹夹芯结构冲击实验 轻质防火保温板静力学实验与模拟 轻质防火保温板热力学实验与模拟 签名 其中：高级职称1人，中级职称2人，初级职称 人；博士研究生3人，硕士研究生4人，本科生 人。 三、项目正文

一、项目立项的目的意义和国内外研究现状（限500字以内）。 速度、强度和稳定性是衡量船舶性能的通用指标，船的重量与上述因素有密切的关系。实践证明，在现代海上武装攻击中，降低舰船重量，是使其高速行进、具备机动灵活性的最有效方法之一。因此，将“轻量化”的概念和设计体系服务于我国船舶制造领域，将具有重要的军事和经济意义。 目前有关船舶轻量化的国内外研究现状可以归纳如下： 1）我国工信部于2010年最新颁布的《船舶节能减排标准项目谱》已经明确未来五年将重点开展船舶“轻量化”、结构设计、制造等方面的研究。 在近期刚结束的2011中国海事装备技术论坛上，工信部装备产业司明确表示，“十二五”时期我国船舶工业将顺应世界绿色造船发展的新趋势，打造布局合理、结构优化、技术先进的船舶体系。 由此可见，开展“船舶轻量化”的有关研究将有助于满足巨大的行业需求。 2）欧美等国均认识到舰船轻量化的重要意义，近年来屡有将先进复合材料/结构形式用于舰船实现减重和多功能的成功案例。图1为2010年服役于瑞典海军的Visby级巡洋舰，由于选用复合材料作为船身，不但实现大幅减重，而且还可舰载更多动力和控制装备，具备急停急转和隐蔽等性能，其航速和续航力也提高显著。反观我国船舶制造及应用领域，轻量化材料与结构研究刚刚处于起步阶段，急需开发新型、实用、多功能材料/结构形式，并形成系统的理论和实验测试与表征体系。 图1 2010年服役的瑞典Visby级巡洋舰 3）在所有可用的结构形式中，夹芯板结构以其轻质、高强、绝热、吸能和可设计强等优点，在航空航天、汽车制造等众多领域内均有应用。从2009-2011年国家自然科学基金委网上项目公示系统中（图2），按照“夹芯”或“夹层”作为关键字进行检索，约有30多项围绕夹芯结构展开研究。 图2 有关夹芯结构2011年度受国家自然科学基金资助情况 国家近5年来有关“轻量化结构”的相关科研经费支持及科研成果也充分表明：在航空、航天、汽车制造等重量相关性领域，以夹芯结构为主的轻量化设计已经取得了巨大成功。可以预见的是：如果将以上成功的行业应用推广到船舶制造领域，也将具有重要战略发展意义并产生巨大的经济效益！ 经过追踪国际国内前沿与详细论证，我们发现：轻质夹芯结构，在船舶制造领域，尤其是船舶内装结构将具有巨大的应用潜力。但是目前遗憾的是，国内还没有该方面的设计与应用实例，也正是基于此，本项目将紧紧围绕海洋开发、船舶制造(军用/民用)等领域对材料和结构的轻质、强韧、高速、节能减排、抗撞击等综合要求，以舰船为主要应用对象，重点研究波纹夹芯结构浮动地板、轻质耐火保温板两种创新的结构构型设计与性能评价。针对这两种夹芯结构在典型服役状态下的复合力学性能，形成系统规范的表征方法、测试与评价技术，为这些新型结构走向船舶工程化应用奠定科学基础。 二、项目的研究内容和研究目标。 1、研究目标 本项目总体研究目标是与我国舰船制造领域重大应用背景相结合的，并且服务于2010年工信部最新颁布的《船舶节能减排标准项目谱》。通过立项研究，力争达到： （1）对船用波纹夹芯结构浮动地板、轻质耐火保温板这两种宏观结构进行设计，以满足船舶行业结构性能为要求，实现从材料性能到结构性能一体化设计。 （2）通过从材料学、力学等学科交叉融合的角度，建立这两种夹芯结构设计方法和优化理论；针对结构在典型服役环境下的力学性能，形成系统规范表征方法、测试与评价技术。 （3）通过立项研究，开发一系列服务于军船、民船的夹芯材料和结构形式，为新产品的工程应用奠定科学理论基础。 （4）通过立项研究，发表一批高质量的学术论文；培养造就一支特色鲜明、团结合作、富有朝气和创新精神的舰船轻量化材料与结构研究的高技术研究团队。 2、研究内容 为了实现项目的总目标，本项目共设置以下3部分相互有机联系的子课题。 舰船轻量化夹芯结构的设计与性能评价 1轻量化夹芯结构设计研究 2轻量化夹芯结构优化理论研究 3轻量化夹芯结构性能表征研究 课题1 轻量化夹芯结构的设计研究 研究内容： 1）波纹夹芯结构浮动地板的设计方法 研究模具机械辊压成型波纹板的方法；研究不同波纹夹芯形状（波纹夹芯结构形式有：正方形、梯形、正弦型、三角形等）波纹板成型工艺；研究金属或非金属面层与波纹夹芯的连接/粘接技术。研究波纹板层和中间弧形结构的组合连接。 2）轻质耐火保温板的设计 主要研究编织纤维作为夹芯，高性能陶瓷纤维作为面层，或在芯体中适当加入纤维增强的夹芯板设计；研究纤维编织技术；研究纤维中空层连、高性能纤维面层等尺寸效应对夹芯板结构性能影响的客观规律；研究夹芯板宏观结构和形态的控制方法、模板成型技术等；研究面层和芯体的连接/粘接技术。 主要技术路线： 轻量化夹心结构设计研究轻质防火保温板设计波纹夹心结构浮动地板机械辊压模具设计板的结构整体性能的设计与实现不同夹芯结构设计硅氧纤维和陶瓷纤维（60nm）编织成布对静力性能影响研究双腔结构的热传导设计梯形夹芯正方形夹芯对于火灾时效的实验研究三角形夹芯结构整体设计的保温和隔热对热传导率影响研究结构厚度对应用舰船领域可行性和实用性能的研究满足A60板厚60mm 课题2 轻量化夹芯结构的优化理论研究 研究内容： 1）研究满足最小重量要求下，波纹夹芯结构浮动地板、轻质防火保温板几何参数、组分材料结构特性与宏观性能间的依赖关系，研究优化设计问题的建立、描述及求解等方面的科学问题。 2）在满足承载要求下，研究实现特定性能材料的设计方法。 3）借助宏观、细观耦合的表征建模方法，开展两类轻质板结构宏观力学性能和热学性能的预测研究。 主要技术路线： 课题3 轻量化夹芯结构性能表征研究 研究内容： 以课题1设计的夹芯板结构作为研究对象，开展以下研究： 1）波纹夹芯结构浮动地板的力学行为评价 研究并揭示波纹夹芯结构浮动地板形式、几何因素对结构性能的影响规律；研究复杂载荷作用下，波纹夹芯梁、板和壳的弯曲力学行为、损伤机理、强度准则以及冲击载荷作用下的失效过程等；研究波纹夹芯浮动地板的振动模态及各种振动载荷下的响应。 2）轻质防火保温板的评价 研究高性能纤维板的失效机理和破坏模式；研究轻质保温防火板的基本力学性能，以及复杂载荷作用下结构的失效破坏机制和判别准则；研究轻质保温防火板的热力学性能以及导热性能指标。 主要技术路线： 轻量化夹芯结构评价研究轻质防火保温板波纹夹芯结构浮动地板力学破坏失效分析借助试验机宏观静载分析静载失效分析冲击失效分析基本力学性能失效模式分析结构尺寸参数影响分析热力学性能分析动载荷分析热传导分析热力耦合分析振动试验分析冲击载荷试验分析 三、研究计划及预期研究成果（研究计划按季度填写，要包括具体的研究内容和阶段性成果指标，预期成果为项目获资助后绩效考核的主要内容，请实事求是填写）。 1、研究计划 项目起止时间按：2011年11月1日 —— 2014年12月30日 年度 研究计划 阶段性成果 2011年第4季度 研究波纹板辊压成型技术 提供辊压成型模具设计与加工图纸1套；完成波纹夹芯板样品 研究浮动地板的结构形式，首先通过数值方法研究其振动特性 2012年 第1季度 研究浮动地板成型工艺 研究轻质防火保温板的面层第2季度 和芯子纤维编织规律和结构组成 研究轻质防火保温板宏观结构和形态的控制方法、模板成型技术；研究轻质防火保温第3季度 板、波纹夹芯结构浮动地板两种创新构型中面板-芯层连接技术 继续探索波纹夹芯结构浮动地板连接方式；全面掌握轻质第4季度 其设计方法；整理年度进展报告 研究两种夹芯板优化理论、建立约束方程、求解问题等；研第1季度 究多约束条件下，满足特定性能的设计方法 第2季度 夹芯板宏观性能预报研究 2013年 夹芯梁、板、壳等静力学行为第3季度 评价 形成影响因素分析报告 形成轻质防火保温板结构形态和性能之间的关系分析报告；采用粘接/焊接工艺得到两种夹芯板样品 发表SCI论文1篇，EI论文2篇；申请夹芯板有关发明专利2-4项；项目年度进展报告 建立复杂条件下的夹芯板优化设计理论体系，形成书面报告1份 建立宏细观结合的夹芯板性能预报理论体系，形成书面报告1份 建立静力学行为评价体系和实验表征体系，整理并形成完整的实验数据和结果分析报告 分析组分材料、纤维、几何尺形成影响夹芯板静力学性能关键第4季度 寸、加载条件等因素对性能的因素的分析报告；SCI/EI论文3-5影响规律；整理年度进展报告 篇；项目年度进展报告 形成轻质防火保温板失效破坏规律和热力学性能分析报告；揭示波纹夹芯结构屈曲、失稳破坏的内在规律，掌握该类结构屈曲特征 建立轻质防火保温板热力学模型和理论分析报告 给出夹芯板能量吸收性能表征参数实验数据和分析结果 SCI/EI论文3-5篇；项目结题报告；外联获得横向经费支持 第1季度 夹芯结构强度与失效准则建立 2014年 夹芯板冲击性能评价、失效模第2季度 式及机理研究 第3季度 分析夹芯板动态力学性能的影响规律 整理项目结题报告；横向与造船厂、设计院联系，争取获得第4季度 产品推广、应用平台或经费支持 2、项目预期研究成果 本项目以舰船的减重、提速、节能为目标，以夹芯结构为主要研究对象，建立该类结构/材料性能表征理论框架体系，发展船用夹芯结构/材料的设计、优化理论和性能评价手段。 1）、项目研究产生的技术成果。 建立轻质防火保温板、波纹夹芯结构浮动地板设计理论，形成这两种夹芯板性能评价的理论体系和全面的实验表征与评价体系。 2）、拟申报/获得的高水平科研项目情况。 项目组每年均申报国家级基金（国家自然科学基金、教育部博士点基金、博士后基金等项目），项目研究周期内或项目结题时获得国家级基金资助1-2项；与造船厂、中船公司、设计院等外联，获得横向经费资助2-4项。 3）、拟发表的高水平论文情况（三大检索收录论文篇数）。 发表一批水平科研论文， SCI收录4篇，EI收录8篇。提高团队的学术声誉和影响力。 4）、拟申报/授权的发明专利情况。 申报夹芯板相关专利3项。 5）、人才培养情况（包括青年教师、博士研究生、硕士研究生的培养情况）。 依托项目培养青年教师3人，博士研究生3人，硕士研究生4-6人，打造一支团结一致、富于开拓和创新的舰船轻量化材料与结构研究团队。 3、可行性分析 本项目的学术思想和研究方案是建立在对相关的深入分析和相关前期工作基础之上。 本项目提出的舰船用轻量化夹芯结构，这一创新构型及其研究方案是建立在对相关国内外研究现状与发展趋势的深入分析，并密切结合哈尔滨工程大学力学实验中心多年的研究基础上提出的。作为新型的轻质夹芯复合材料结构，在与重量密切相关的一些工业行业中，有重大需求空间；而有关其设计、力学性能和物理性能的研究也是目前科学和工程界研究的热点问题之一。同时，在一些其他的夹芯类结构，如金属泡沫夹芯、金属蜂窝夹芯等结构的制备和力学性能表征方面，本课题组已开展了一些有意义的前期研究工作，积累了较丰富的研究经验，为本课题顺利开展奠定了较好的基础。 现代科学技术的发展，无论是在基础理论还是在测试技术方面的新进展都使本项目研究的突破成为可能，并且提供了测试、模拟、仿真等相关手段上的保障。项目依托单位哈尔滨工程大学力学实验中心是固体力学国防重点学科实验室，是省级力学实验示范中心，具有较为完备的实验条件和分析软件，能够满足本项目实施所涉及的实验表征、数值模拟等各个环节的要求，在研究所需的各种基础设备条件方面可以得到完全保证。 团队成员曾多次为哈工大、吉林大学、北京工业大学等国内兄弟院校提供科研服务和合作，积累丰富的实验经验；团队多年来在复合材料力学、疲劳与断裂、复合材料结构的数值模拟等方面的积累，均可以保证本课题的顺利完成。 因此，本项目的研究实施具有很强的可行性，研究成果将会带来明显的经济和社会效益。

三、研究基础与工作条件

1.申请人简介（限800字以内，包括申请人的学历和研究工作简历，列出近五年来（1）代表性论文，不超过10篇；（2）申请和授权专利情况；（3）获得科研奖励情况；（4）承担科研项目情况）。 1） 项目申请人：芦颉，男，讲师，博士。2005年7月毕业于哈尔滨工业大学土木工程学院工程力学专业，获得工学硕士学位。2011年3月毕业于哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院固体力学专业。05年参加工作至今，一直从事实验固体力学及新型复合材料制备与性能评价等研究工作。 2008年参与哈工大复合材料与结构研究所 “863”横向课题 “轻质合金蜂窝夹芯板结构高温疲劳设计及高应变率冲击性能实验”项目. 2007～2009年，参与中国地震局工程力学研究所开放课题（2007B02）研究，排名第2. 2009年至今，参与教育部高等学校博士点基金（20092304110003） “金属蜂窝夹芯板高温载荷疲劳试验及失效机理研究”，排名第2. 多次参加国际国内学术交流，发表论文多篇， 被EI检索14篇。 2）创新团队简介 为服务军用、民用舰船制造及国家有关行业标准；同时紧密结合我校“三海一核”发展方向，力争培养造就一只特色鲜明、团结合作、富有朝气和创新精神的夹芯结构高技术研究团队，“舰船轻量化材料与结构研究所”于2010年成立。其中，团队学术带头人邹广平教授，目前任全国复合材料设计应用与评价专业委员会委员、全国实验力学专业委员会委员、黑龙江省力学学会副秘书长、黑龙江省实验力学专业委员会主任委员等多项有影响的学术兼职。团队目前有国内外荣誉教授及技术顾问4人（均为国际国内知名教授）、教授3人、博导2人、副教授2人，高级实验师1人、讲师6人、博士生硕士生20人等，目前致力于普及舰船轻量化概念，并在舰船轻量化材料与结构基础理论、应用服役条件下环境模拟、材料与结构设计/分析/评价一体化、轻量化智能材料与结构力学、轻量化材料与结构性能表征与优化设计、舰船抗爆抗冲击材料与结构设计及模拟等方向开展研究。网址：cslm.hrbeu.edu.cn 图3 舰船轻量化研究所人员及网站 团队在Smart Materials and Structures、International Journal of Modern Physics B、Key Engineering Materials、Advanced Materials Research、力学学报、金属学报、实验力学、稀有金属材料与工程等国际国内期刊发表SCI/EI论文多篇。  团队代表性论文如下： [1] 邹广平, 唱忠良等. 平面应变下紧凑拉伸试样的动态断裂韧性研究. 实验力学, 2011,26(3), 240-246. [2] 邹广平, 唱忠良, 陈思等. 冲击载荷作用下Mg-Li 合金的力学性能及变形组织. 稀有金属材料与工程. 2011. [3] Jie Lu, Guang-ping Zou, Bao-jun Liu. Experimental investigation of damage characteristics in steel honeycomb sandwich beams. Key Engineering Materials, 2011, 452-453, 557-560. [4] 周 博, 刘彦菊, 冷劲松, 邹广平. 形状记忆合金的宏观力学本构模型. 中国科学G：物理学 力学 天文学. 2009, 39 (7), 998-1006. [5] 芦颉, 邹广平, 曹扬, 唱忠良, 刘宝军. 钢质蜂窝夹芯梁高温疲劳试验及寿命预测研究. 哈尔滨工程大学学报, 2011, 32(4), pp 439-444. [6] Chang Zhongliang, Zou Guangping, Zhao Weiling, et al. The dynamic mechanical properties of CBFcomposite plate and its sandwich structure with aluminum foam core. Key Engineering Materials. 2011,v(452-453), 281-284. [7] 邹广平, 芦颉, 曹扬, 刘宝君. 钢质蜂窝夹芯梁的高温疲劳模型. 力学学报, 2011, 43(5), 953-957. [8] 邹广平，王瑞瑞，陈思，唱忠良等.聚氨酯夹芯整理层连复合材料的力学性能研究.哈尔滨工业大学学报.2011, 43(3), 257-261. [9] 邹广平, 芦颉, 王微微. 电子剪切散斑技术在木材无损检测中的应用. 哈尔滨工程大学学报, 2009, 30(4), 357-361. [10] Jie Lu, Guang-ping Zou. Experimental investigation of static and thermal-mechanical bending fatigue strength of steel honeycomb sandwich beams. Proc. of SPIE, 2010, 7522-141.  团队共获得发明专利7项。  主要科研产品如下： 船用I-型减震器 空心圆柱形金属橡胶减震垫 实心圆柱形金属橡胶减震垫 图4 团队主要科研产品 2.工作基础（与本项目相关的研究工作基础和已取得的研究工作成绩）。 本研究团队从08年开始，一直从事舰船用新型轻质材料设计和性能评价的研究工作，在夹芯类结构的力学行为研究、复合材料结构断裂与损伤方面积累了丰富的理论和实践经验；团队先后承担了“九五”国防预研项目船体钢防断性能表征与测试，省自然科学基金项目“混凝土动态断裂韧性测试研究”等项目，获得黑龙江省教委科技进步二等奖一次。 在2008~2010年，团队与哈工大复合材料结构研究所合作完成863横向课题《轻质合金蜂窝夹芯板的疲劳和冲击性能研究》；由于前期工作基础出色，于2009年获得教育部高等学校博士学科点基金资助（编号：20092304110003），开展民用金属蜂窝夹芯结构的室温及高温疲劳行为研究，以上这些研究为了解夹芯结构失效机理及破坏模式奠定基础。 从2009开始，团队就将科研重点放在材料/结构轻量化设计与应用评价方面，并致力于为船舶、汽车、航空航天、土木等重量相关领域开发新型材料和结构形式。在2010年，针对国家船舶节能减排标准，采用一步法制备了聚氨酯弹性体及其金属夹芯结构（如图6），掌握了夹芯类结构制备的关键技术，同时开展其性能评价和理论研究工作，该类夹芯板结构（简称SPS结构）是下一代船舶制造中具有非常大的应用空间。 以上研究基础均涉及夹芯结构，表明该研究团队具有复合材料夹芯结构制备基础；为本项目拟开展的舰船轻量化夹芯结构的设计与性能评价，奠定了丰富的工作基础；部分研究成果，如基于刚度衰减的寿命和损伤预测、基于宏观唯像的本构理论研究等成果（详见发表论文）均可不同程度借鉴并应用到本项目的研究中。

四、经费预算

单位：万元

支出科目 2012 计算根据及理由 1、设备费 0.6 冲击试验设备运行维护、静力学试验设备维护、改造升级费用 2、材料费 6.50 购买及制备编织纤维板、钢/铝波纹夹芯结构浮动地板、高性能纤维等消耗 金属波纹夹芯结构浮动地板成型模具加工；试件连接部件3、测试化验加工费 0.3 加工；试件力学性能微观分析测试费，保温板热学性能测试 4、差旅费 1.0 参加学术交流差旅费；走访科研院校、船厂、船舶设计院等调研费；聘请专家咨询差旅费 5、会议费 0.6 参加国际国内学术交流 6、出版／文献／信息传播/申报检索费 0.5 发表论文审稿费及版面费、打印复印费等 7、专家咨询费 0.5 用于聘请校外专家对项目立项论证评审、年度阶段性总结、结题评审等费用 8、国际合作与交流费 9、劳务费（据实列支） 合计 10.0

五、申请人承诺

我保证申请书内容的真实性。如果获得资助，我将履行项目负责人职责，严格遵守学校基本科研业务费项目实施细则的有关规定，切实保证研究工作时间，认真开展工作，按时报送有关材料，并努力完成项目的预定目标。若填报失实和违反规定，本人将承担全部责任。 申请人签字： 日期： 年 月 日

六、所在单位意见

我单位承诺将严格按照学校管理实施细则结合计划任务书中内容对该项目进行管理，保证研究计划实施所需的人力、物力、工作时间等条件，确保研究计划按期完成。 （盖章） 单位负责人（签名） 年 月 日

七、领导小组意见

领导小组办公室 （科技处代章） 年 月 日