近年来，由于复合材料的轻质特性和优异的强度，对轻量化船舶设计的需求不断增加，这推动了复合材料在海洋工程中的广泛应用。研究钢-复合材料结构与传统钢结构之间的机械性能对于推进复合材料在海洋工程中的应用至关重要。目前关于海洋复合结构的研究主要集中在单个板材、梁和连接接头等局部组件上[[1], [2], [3]]。复合材料的各向异性和非线性机械行为导致了复杂的失效模式，包括基体开裂、纤维断裂、纤维屈曲和层间脱层。
复合材料失效分析准则主要基于层压理论方法，这些方法分为与模式无关的准则和与模式相关的准则。与模式无关的准则（如最大应力/应变准则、Tsai-Hill准则、Hoffman准则和Tsai-Wu准则）采用统一的函数来描述所有失效模式，但它们简化了纤维和基体材料的独特物理行为[[4], [5], [6]]。相比之下，与模式相关的准则建立了全面的失效模式系统，能够精确识别特定的损伤机制，包括纤维失效、基体开裂、纤维-基体剪切失效和脱层，从而在复杂载荷条件下提供更准确的预测。例如Hashin准则和LaRC03准则已成为复合材料力学研究中的首选方法[[7], [8], [9]]。尽管进行了大量的比较研究来评估模型的适用性和预测准确性，但目前还没有任何失效准则能够完全准确地捕捉所有实验观察结果。
由于层压材料具有较高的比强度和优异的机械性能，它们被广泛应用于海洋复合结构中[10,11]。层压复合结构通过在不同层角度的对称堆叠来利用各向异性特性，以实现所需的机械性能。早期预测复合层压结构强度的方法主要包括第一层失效法和最终层失效法，即通过识别层压结构的第一层或所有层的失效来确定整个结构的失效[[12], [13], [14]]。随后，引入了渐进损伤分析方法，以更好地模拟损伤机制、损伤的相互作用和传播以及复合层压结构的最终失效[15,16]。
夹层面板是海洋工程中常用的复合结构。夹层面板结构由高强度复合面层和低密度芯层组成，通过粘合形成整体结构。其结构性能取决于面层和芯层的材料性能、面层与芯层之间的粘合效果以及面板的整体几何形状[17,18]。Russo和Zuccarello[19]对玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合夹层结构进行了机械性能分析，这些结构在海洋工业中得到广泛应用。他们的研究发现，面层与聚氯乙烯（PVC）泡沫芯层之间的剪切刚度和弹性模量不匹配常常导致脱层失效，且面层拉伸失效和芯层剪切失效的模拟误差较大。CoDyre和Fam[20]研究了泡沫芯层密度对GFRP复合夹层面板强度的影响，结果表明增加泡沫芯层密度可以显著提高面板的整体强度。Ji等人[21]对船舶中使用的三种典型GFRP结构组件的极限强度和失效模式进行了实验和数值研究，结果表明泡沫芯层可以有效增强复合加固组件的结构强度。
一种带有钢制加强筋的复合夹层面板出现了，这种面板保留了钢制加强筋作为主要承力构件，同时用复合夹层面板替代了传统的钢板，成为轻量化设计的一个特别有前景的解决方案。这种混合配置成功结合了高承载能力和显著的减重效果，这一点在其在大型客船上层结构中的成功应用中得到了验证[22,23]。
船舶结构在长期服役过程中会受到弯曲、扭转和剪切载荷的共同作用，因此必须考虑复合面板与钢制加强筋之间的粘合强度。Yang等人[24]通过实验和数值分析研究了复合-钢粘合接头的承载能力，发现制造缺陷（如空洞、气泡、裂纹和树脂富集区）是粘合层损伤的主要来源。Kharghani和Guedes Soares[25,26]对复合-钢接头进行了实验和数值分析，发现界面处的过早剥离会导致在复合剪切和弯曲载荷作用下的芯层剪切失效。He等人[27]进行了三点弯曲试验，并开发了一个基于VUMAT的数值模型来研究复合-钢粘合接头的损伤行为，结果表明增加板厚可以增强承载能力，而靠近芯层的载荷会加剧板和芯层的损伤。
上层结构的轻量化设计对于控制多层甲板内的应力以及大型客船的整体重量和重心至关重要。甲板面板主要受到船体梁纵向弯曲引起的单轴压缩作用，而侧面板则主要受到来自船体梁的轴向压缩和剪切力的共同作用[[28], [29], [30], [31], [32]]。上层结构的轻量化设计必须考虑这些特定的结构载荷条件。
本文开发了一种带有钢制加强筋的复合夹层面板，该面板基于大型客船上层结构中的传统钢制甲板面板设计，以评估材料替代的影响。复合夹层面板由GFRP层压面层和PVC泡沫芯层组成。通过实验和有限元分析评估了其极限轴向抗压强度和失效模式。有限元分析结果通过实验结果得到了验证，并评估了各种复合失效准则。
