六層金字塔點陣夾芯板結構在水下近距爆炸載荷下的沖擊實驗

張振華，牛闖，錢海峰，王媛欣

海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢 430033

六層金字塔點陣夾芯板結構在水下近距爆炸載荷下的沖擊實驗

張振華，牛闖，錢海峰，王媛欣

海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢 430033

為研究多層金字塔點陣夾芯板結構在水下近距爆炸載荷下的抗爆性能，加工制作了六層金字塔點陣夾芯板結構模型，通過水下爆炸實驗，揭示了多層金字塔點陣夾芯板結構的變形模式，并對模型結構進行數值仿真，分析了夾芯板結構的吸能情況。上面板呈整體下沉變形模式；金字塔點陣夾芯結構存在動態屈曲變形模式；屈曲芯層之間的夾層板呈波浪褶皺變形；下面板呈平臺變形模式，靠彎曲和拉伸變形吸能。實驗結果表明：夾芯結構的第1層和第6層破壞較為嚴重，同時由于夾芯層的吸能作用，對下面板起到了一定的緩沖防護作用。關鍵詞：金字塔點陣；夾芯板；水下爆炸；吸能；實驗研究；數值仿真

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.014.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：張振華，牛闖，錢海峰，等.六層金字塔點陣夾芯板結構在水下近距爆炸載荷下的沖擊實驗［J］.中國艦船研究，2016，11（4）：51-58，66.

ZHANG Zhenhua，NIU Chuang，QIAN Haifeng，et al.Impact experiment of six-layer pyramidal lattices sandwich panels subjected to near field underwater explosion［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（4）：51-58，66.

0　引　言

近年來，將點陣結構應用到艦艇上以提高其抗爆抗毀傷性能的研究引起了艦船學術界的關注。對于點陣夾芯結構的研究，國內則主要集中于其靜態力學性能。熊健等［1］提出利用碳纖維預浸料細條通過模具來制備金字塔點陣結構，并利用此制備工藝制作出4種成型的金字塔點陣結構，通過平壓和剪切實驗研究了金字塔點陣結構的靜態力學性能和失效破壞機理。錢海峰等［2］研究了金字塔點陣單元結構準靜態壓縮力學性能，發現桿件產生塑性屈服，最終在桿件中間部位斷裂，其節點強化效果比較明顯。曾濤等［3］通過實驗研究了金字塔點陣夾芯結構的壓縮力學性能，并揭示了其破壞機理。此外，還有學者研究了Kagome點陣夾芯板、蜂窩型夾層板在沖擊載荷下的動態響應［4-5］。

針對水下爆炸沖擊波對船體板架結構的毀傷效應，學術界已經有了一定的研究［6-10］。而目前針對多層金字塔點陣夾芯結構在遭受水下近距爆炸載荷下動態響應分析的文獻則較少［11-12］。Xue 和Qiu等［13-14］研究發現，經過優化設計的夾芯板的抗爆性能相較于等質量實心板有顯著提高。Wadley等［15-16］研究了金字塔點陣夾芯板結構準靜態力學性能及其在水下爆炸沖擊載荷作用下的壓縮響應，其模型是安置在一個固定的托盤上，因此其下面板被完全固定，無法研究背板的沖擊損傷情況，主要研究夾芯層的壓縮量。為探究多層金字塔點陣夾芯殼板結構遭受水下近距爆炸載荷時的抗爆性能，本文將設計并加工制作六層金字塔夾芯結構，將該結構置于室內爆炸容器內實施水下近距離爆炸實驗，以揭示金字塔點陣夾芯板結構的變形模式，并對模型進行數值仿真，研究夾芯板的吸能情況，為金字塔點陣夾芯板結構在水下近距爆炸載荷下的吸能機理的理論研究提供支撐。

1　實驗模型設計加工

模型包括3個部分，金字塔點陣夾芯殼板結構、水密罩和支座，其中金字塔點陣夾芯殼板結構為模型的主要組成部分，主要由上、下面板、夾芯層和層間夾板組成，下文將分別給出各構件的設計尺寸。

1.1金字塔單元結構

金字塔點陣夾芯殼板結構的夾芯層由金字塔單元按照一定的方向周期性重復排列構成。圖1所示為金字塔夾芯單元結構的設計尺寸圖。每個金字塔單元由4個圓桿元和上、下面板單元組成。其中，每個桿元的長度為50 mm，直徑為3.8 mm，每個桿元與其在下面板投影的夾角為45°，金字塔單元上、下面板均為正方形，邊長為50 mm。由桿元組成的金字塔高度為35.36 mm。

1.2點陣夾芯結構

圖1　金字塔單元結構的設計尺寸圖Fig.1　The size of the pyramidal lattices structure

模型夾芯層一共有6層，每層單元結構按10×10在2個方向上排列，上面板長度和寬度均為510 mm，厚度為5 mm。層間夾板是夾芯層之間起到連接作用的薄板，其長和寬均為510 mm，厚度為2 mm。下面板長度和寬度均為500 mm，并向四周延伸200 mm的邊距，以作為固支邊。厚度為5 mm，材料為屈服強度為250 MPa的普通鋼。在下面板每個邊上加工6個直徑為15 mm的圓孔，以便將金字塔點陣夾芯板結構安裝在底部支座上。圓孔間距均為100 mm。

由于存在加工誤差，對加工成型的實物模型（圖2）進行測量。將模型的4個邊分別命名為A，B，C，D邊。每個邊抽取2個位置測量，4條邊上模型高度（不計上下面板板厚）的平均值分別為255.0，252.3，253.0和255.0 mm。

圖2　六層金字塔點陣夾芯板結構加工成型圖Fig.2　Finished six-layer pyramidal lattices structure

1.3支座及邊界設計

設計支座的主要目的是模擬金字塔點陣夾芯板結構的空背環境。加工支座四周圍板及上板使用的鋼板厚度為15 mm，底部密封鋼板厚度為2 mm。支座內空高為200 mm，支座上板在相應位置加工24個直徑為15 mm的圓孔，與夾芯板結構下面板及壓條上的圓孔相配合。設計壓條的目的在于將模型的下面板固定在支座上，在壓條上與支座相應的位置同樣加工24個直徑為15 mm的圓孔，將壓條與支座用螺釘固定，使下面板處于固支約束。

1.4水密罩

實驗中模型內部為充滿空氣的狀態，因此設計水密罩結構以保證模型的水密性。水密罩設計為1個706 mm×706 mm×238.13 mm的立方體，無下面板，上面板正中間有一個470 mm×470 mm的方孔。水密罩的內空高度為夾芯板結構模型的總高度，即設計值為235.13 mm。水密罩鋼板厚度為3 mm。

模型各組成構件加工完畢后，用螺釘將支座、夾芯板結構模型、壓條緊固在一起。水密罩與模型接觸部位涂防水膠。實驗模型整體結構如圖3所示，圖中單位為mm。

圖3　實驗模型整體結構Fig.3　Whole structure of the experiment model

2　實驗實施

2.1爆炸實驗工況的確定

目前實驗室可供選擇的鑄裝標準TNT裝藥有200和110 g這2種規格，表1所示為各種規格裝藥在不同爆距作用下的入射沖擊波峰值壓力和比沖量的值。

表1　實驗室可提供的工況Tab.1　The conditions of laboratory

在確定爆炸實驗工況時，主要綜合以下2個方面的因素：

1）本實驗模型面板尺寸為510 mm×510 mm，相當于實艇尺度中的一小塊，因此大部分情況下沖擊波應該是接近平面波沖擊到結構上的，在能夠滿足實驗要求的情況下，拉大爆距可以近似滿足平面波的要求。

2）水下爆炸的沖擊力度不可太弱。由于水下近距爆炸實驗為破壞性實驗，因此1個模型只能進行1個工況的實驗。如果水爆沖擊力過弱，實驗模型可能處于彈性變形或者微量塑性變形，這樣無法激發出芯層結構的全部變形模式，并且背板沒有塑性變形，會導致無法研究金字塔點陣結構的抗爆抗沖擊能力，從而導致實驗結果失去其應有的意義。

從表1可以看到，為了能夠得到更多芯層結構的變形模式，綜合考慮以上2點，將模型的爆炸工況定為表1中的工況2，即裝藥量200 g TNT，爆距為50 cm。

2.2實施實驗

實驗在大型室內爆炸容器內實施（圖4），實驗前先采用雙金字塔定位方法對裝藥進行定位，以確保爆距和載荷準確。完成炸藥安裝后，對爆炸容器進行注水，使水位達到預定位置。再次確認所有設備處于正常待觸發狀態，關閉爆炸容器，起爆裝藥。實驗結束后進行模型回收。

3　實驗結果與分析

3.1金字塔單元結構的變形模式

從實驗結果來看，在模型的第1，2，5和6層夾芯層上，單元結構主要為塑性屈曲變形模式。在這些單元上可以觀察到桿件有明顯的塑性屈曲變形。在第1層的邊緣處存在水密罩和上面板的搭接，同時由于結構的不連續，影響了單元結構的變形（圖5（a））。

圖4　實驗實施情況Fig.4　The situation of experiment implement

從夾芯層的變形情況可以看到，與下面板相鄰的第6層夾芯層與其他幾層比較，其單元結構的破壞更為嚴重（圖5（b））。而第3層和第4層的單元結構，觀察不到明顯的塑性變形。

圖5　金字塔單元的屈曲變形模式Fig.5　Buckling deformation of pyramidal elements

3.2上面板的變形模式

水下近距爆炸，可認為球面沖擊波同時到達上面板，并且由于上面板較厚，呈整體下沉變形。觀察到模型上面板邊角處有彎曲變形，這是因為結構在邊界處不連續，周圍沒有對其支撐的結構，同時水密罩和上面板邊緣的搭接對結構的邊緣變形有影響，但這不影響上面板中間部分的變形模式。

3.3夾層板變形模式

夾層板的變形情況與其連接的芯層變形情況有關。屈曲芯層之間的夾層板呈波浪褶皺，主要是第1和第2層夾芯結構之間、第5和第6層夾芯結構之間的夾層板。第3和第4層夾芯結構之間的夾層板接近平面形狀，只有微量變形。

3.4下面板的變形模式

研究金字塔點陣結構夾芯板的一個重要目的是分析其下面板的抗損傷能力，如果能保證下面板不變形或者少變形，則可以達到艦艇結構抗爆抗沖擊的目的。因此對于實驗模型下面板的變形需要進行詳細的觀測和測量。觀察到下面板呈平臺變形模式（圖6）。

圖6　上、下面板及夾層板的變形Fig.6　Deformation of the sandwich panels

從下面板的四邊分別量取平臺突起的高度，取其平均值作為下面板的最終塑性變形值（表2）。

表2　下面板變形（平臺突起的高度）Tab.2　Deformation of bottom panels

3.5模型損傷情況及測量

從圖6中也可以看到夾芯層整體變形情況。與下面板相接的第6層夾芯層的壓縮變形較大，第2，3，4和5層的夾芯層變形相對較小，而與上面板相接的第1層夾芯層變形又略大。

在模型的4個邊上均勻取5個測量點，與下面板每邊上的圓孔對應。測量模型夾芯層在爆炸沖擊后的厚度，即模型上面板和下面板之間的距離。表3給出了各位置的厚度測量值及壓縮量和壓縮比。其中B1，B5，C1和D1的測量值由于受到上面板邊角處的下榻而偏小，所以在計算夾芯層整體壓縮變形時將其剔除。夾芯層的壓縮量和壓縮總應變，其平均值分別為32.8 mm和12.93%。

表3　模型實驗后芯層厚度及壓縮應變Tab.3　Lattice's thickness and compression strain after experiment

4　金字塔點陣夾芯板結構的動態響應仿真

為分析夾芯板結構在水下近距爆炸載荷作用下應力響應及變形吸能情況，利用MSC/DYTRAN軟件進行數值模擬。仿真模型的尺寸及水下爆炸工況與實驗一致。

4.1變形分析

圖7所示為夾芯板結構變形仿真過程。從圖中可以看出，4.5 ms之后，模型的整體變形逐步趨于穩定，第1和第6層夾芯層的桿件大部分發生塑性屈曲變形，且第6層的桿件變形更大些，第2，3，4和5層夾芯層變形相對較小。結構的變形分布呈現“兩頭大，中間小”的形態。下面板呈平臺變形模式，同時第2，6層夾層板發生了褶皺變形，與實驗結果吻合。仿真所得夾芯層壓縮量為30 mm，與實驗結果相比誤差為8.5%，壓縮應變為14.14%，誤差9.36%，下面板變形值為21.7 mm，誤差18.1%。

4.2應力分析

圖8和圖9給出了上、下面板在起爆后2個時刻的應力情況，圖10為各主要變形的面板及最中間的面板中心處的應力時程曲線?？梢钥吹剑?、下面板中心處應力的峰值遠大于其他面板中心處的應力峰值，最中間的第4層夾板中心處應力最小。上面板中心處的應力在起爆后1.9 ms達到峰值349.1 MPa，下面板中心處的應力在2.05 ms達到峰值423.8 MPa；第2層夾板中心處應力在1.75 ms達到最大值217.7 MPa；第6層夾板中心處應力在2.05 ms達到最大值135.4 MPa；2 ms以后，第4層夾板中心處應力一直在較低水平振蕩，峰值不超過50 MPa；1.8～4 ms，下面板中心處的應力值始終處于很高水平，在400 MPa量級。

圖7　夾芯板結構變形仿真過程Fig.7　Simulation process of pyramidal lattices deformation

圖8　上面板應力云圖Fig.8　The stress contours of upper panel

圖9　下面板應力云圖Fig.9　The stress contours of bottom panel

圖10　各面板中心處應力時程曲線Fig.10　Stress curves of the center points of six panels

4.3變形吸能分析

圖11給出了10 ms時刻夾芯板結構及上、下面板的變形能云圖。此時結構的變形、應力和變形能都已經穩定，因而可將此時的變形能作為仿真的最終值。表4給出了10 ms時各夾層板及夾芯的變形能。從表5可以看到第1和第6層夾芯和下面板吸收了整個結構所接收到的93.71%的能量；其中，第1和第6層夾芯吸收的能量占所有芯層吸收能量的97.26%，占整個結構總能量的68.61%，對下面板起到了很好的防護作用。下面板吸收的能量遠大于其他面板吸收的能量，占所有面板吸收能量的85.23%。整個結構的吸能也呈現“兩頭大，中間小”的形態，與結構變形和應力的分布大體一致。

圖11　夾芯結構最終的變形能云圖Fig.11　Ultimate distortion energy contours of pyramidal lattices structure

表4　各夾層板及夾芯變形能Tab.4　Distortion energy of panels and lattice cores

5　結　論

本文設計加工制作了六層金字塔點陣夾芯殼板結構模型，在爆炸實驗容器內進行水下近距爆炸實驗。詳細給出了金字塔點陣夾芯殼板結構在水下近距爆炸沖擊載荷作用下的實驗過程和結果，并利用MSC/DYTRAN軟件對夾芯板板結構在實驗工況下的動態響應進行了數值仿真，可以得到以下結論：

1）通過六層金字塔點陣夾芯殼板結構模型的水下爆炸實驗發現，在模型的第1，2，5和6層夾芯層上，單元結構存在動態屈曲變形；第3層和第4層的單元結構，觀察不到明顯的塑性變形。在沖擊強度增大或者模型的邊緣，也可能會出現斷裂的模式。

2）實驗發現第1層和第6層夾芯的變形破壞比其他芯層更嚴重，且與這2層相連接的夾層板呈波浪褶皺變形，數值計算得到這2層芯層吸收的能量占整個結構總能量的68.61%，占所有芯層吸收能量的97.26%，對下面板起到了很好的防護作用；而夾層板的變形較小，數值計算得到的夾層板中心處應力遠小于上、下面板中心處應力，不超過220 MPa，所有夾層板吸收的能量只占結構總能量的1.82%。結構變形和吸能的分布能呈現“兩頭大、中間小”的形態。

3）實驗發現上面板整體下沉，下面板呈平臺變形模式，其最終塑性變形的平均值為26.5 mm；實驗得到夾芯層的壓縮量平均值為32.8 mm，數值計算得到夾芯層壓縮量為30 mm，與實驗結果相比誤差為8.5%，下面板變形值為21.7 mm，誤差為18.1%，下面板吸收的能量遠大于其他面板吸收的能量，占所有面板吸收能量的85.23%，占整個結構能量的25.1%，上、下面板中心處應力峰值分別為349.1和423.8 MPa。

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Impact experiment of six-layer pyramidal lattices sandwich panels subjected to near field underwater explosion

ZHANG Zhenhua，NIU Chuang，QIAN Haifeng，WANG Yuanxin
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

To investigate the explosion resistance of multilayered pyramidal lattices panels subjected to near field underwater explosion（UNDEX），the UNDEX experiment is carried out，the distortional energy of the model is simulated，which reveals the deformation mode of multilayered pyramidal lattices.The whole pyramidal lattices structure presents dynamic buckling deformation，and in particular，the thicker upper panel is seen to have integral settlement deformation，sandwich panels between buckling cores present wave wrinkle deformation，and the bottom panel absorbs energy through bending and tensile deformation. The results show that though the first and sixth sandwich cores are more severely damaged，the energy absorption of sandwich cores protects the bottom panel to a certain extent.

pyramidal lattices；sandwich panel；underwater explosion；energy absorbing；experimental research；numerical simulation

U661.43

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.008

2015-12-03網絡出版時間：2016-7-29 9:45

國家級重大基礎研究項目；國家自然科學基金資助項目（51409253）

張振華，男，1976年生，博士，副教授。研究方向：艦船結構毀傷力學。E-mail：2zsz@163.com

牛闖（通信作者），男，1991年生，碩士生。研究方向：艦船結構抗爆抗沖擊。

E-mail：1359504406@qq.com