兩種二級鋁蜂窩結構緩沖吸能特性研究

李翔城，林玉亮，盧芳云，李志斌

（國防科學技術大學理學院工程物理研究所，湖南 長沙 410073）

兩種二級鋁蜂窩結構緩沖吸能特性研究

李翔城，林玉亮，盧芳云，李志斌

（國防科學技術大學理學院工程物理研究所，湖南 長沙 410073）

該文對二級串聯式鋁蜂窩結構和二級組合式鋁蜂窩結構的緩沖吸能特性進行比較，從而實現對鋁蜂窩緩沖吸能結構裝置優化設計。通過準靜態異面壓縮實驗，對兩種不同正六邊形胞元的鋁蜂窩進行測試，分別得到這兩種二級鋁蜂窩結構的壓縮變形過程和應力響應曲線，并對其變形機理進行分析。實驗結果表明，二級串聯式鋁蜂窩和二級組合式鋁蜂窩均能實現梯度平臺應力響應，這有利于二級緩沖吸能結構的工程應用。此外，對于單軸壓縮，二級組合式鋁蜂窩的嵌入過程只有一個應力峰值并且其能達到更高的壓實程度，但是峰值應力值較大，有待進一步優化。在吸能特性方面，與同一尺寸的二級串聯式鋁蜂窩緩沖器相比，組合式鋁蜂窩緩沖結構的單位體積吸能效果稍強，尤其是單位質量吸能效果更好，可為緩沖吸能結構的優化設計提供新的選擇方式。

組合式鋁蜂窩；串聯式蜂窩；緩沖吸能；異面壓縮

0　引　言

鋁蜂窩作為一種結構材料，具有密度低、壓潰強度弱、壓縮行程大的特點，是一種優良的緩沖吸能結構材料。正六邊形鋁蜂窩是一種正交各向異性材料結構，很多學者對其面內性質和異面性質都進行過研究［1-3］。其中，在緩沖吸能特性應用方面，主要是利用鋁蜂窩的異面緩沖吸能性質，表現出良好的壓縮不可逆性、高效性及穩定性；因此，在許多關鍵工程領域中應用非常廣泛。特別是在快速發展的航天領域中，鋁蜂窩結構緩沖器在減沖擊裝置和飛行器著陸器中均表現出優異的緩沖吸能性能［4-5］。此外，鋁蜂窩作為緩沖吸能材料在汽車碰撞與減振過程中也發揮著重要作用［6］。

鋁蜂窩的制造較為通用的加工方式是拉伸成形法。但是由于加工工藝的限制，鋁箔材料沿異面方向厚度最大為150mm［7］。所以，當要求壓縮行程大于工藝限制時，需要考慮多級鋁蜂窩緩沖吸能結構的設計，并對多級蜂窩結構的穩定性和緩沖吸能性能進行優化。這樣不僅可以降低加工難度，同時通過不同結構或規模的鋁蜂窩組合使用，可以得到目標梯度平臺應力響應曲線［8］，進而實現對緩沖吸能材料或結構的應力響應方式進行設計。

目前國內外一般采用多級鋁蜂窩串聯的方式來實現緩沖吸能結構的優化。李萌等［9］對鋁蜂窩串聯緩沖吸能結構進行了準靜態壓縮仿真及實驗研究，實現了對鋁蜂窩串聯結構的參數化建模仿真；結果表明，與單層鋁蜂窩結構相比，串聯式蜂窩結構表現出更加優良的吸能特性。Yasui［10］通過對3種不同材料的鋁蜂窩進行沖擊測試，提出金字塔形串聯新型組合結構，并發現金字塔結構相比同一尺寸的蜂窩結構吸能性質更好。總之，串聯式蜂窩結構在實際應用技術中越來越成熟。

林玉亮［11］在蜂窩響應曲線優化設計的基礎上，提出組合式鋁蜂窩緩沖吸能結構。文學軍［12］和曹雷［13］研究了組合式鋁蜂窩緩沖吸能結構的沖擊響應性質并分析了減沖擊的可行性。串聯式蜂窩結構與組合式蜂窩結構在構形上具有較高的相似性，為了比較這兩種蜂窩結構的緩沖吸能特性，本文通過準靜態異面壓縮實驗研究二級串聯式鋁蜂窩結構和二級組合式鋁蜂窩結構的力學特征曲線，分析兩者之間的差異，并對兩種二級蜂窩結構的吸能性質進行對比，進而為多級鋁蜂窩緩沖器的優化設計與實際應用提供新的可選方案。

1　異面壓縮實驗

1.1試樣及加載方式

準靜態異面壓縮試驗在TAW2000電液伺服試驗機上進行，加載速率設置為2mm/min；通過傳感器記錄載荷-位移曲線。所選取的鋁蜂窩試樣為正六邊形鋁蜂窩結構，其基體材料為Al5052，選用兩種不同規格的鋁蜂窩，胞元邊長分別為1.87mm（疏蜂窩）和1.13 mm（密蜂窩），對應的蜂窩結構等效密度為104.0kg/m3和183.2kg/m3。為更好地比較二級串聯式鋁蜂窩和二級組合式鋁蜂窩的緩沖吸能特性，將兩種鋁蜂窩試樣通過線切割方式加工成相同尺寸：試樣面內尺寸為30mm×30mm，厚度10mm，如圖1（a）～圖1（b）所示。同時，為了保證實現單軸加載，設計了由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制作的透明限位框，實驗時將二級蜂窩結構試樣放置在限位框內，如圖1（c）所示。

圖1　鋁蜂窩胞元結構及限位框（單位：mm）

串聯式蜂窩結構是在蜂窩疊層之間采用隔板隔開所構成的緩沖吸能結構；組合式蜂窩結構就是蜂窩疊加層之間不采用隔板隔開，存在蜂窩間相互嵌入作用的緩沖吸能結構。

二級組合式鋁蜂窩結構試樣采用兩個方向交錯排布（即相互成90°）的方式疊加在限位框內，如圖2所示；二級串聯式鋁蜂窩試樣在兩個試樣中采用薄鋁板（30mm×30mm×0.4mm）隔開，薄鋁隔板的質量為2.558 g。本文對上下兩層分別為相同規格和不同規格的二級鋁蜂窩結構進行了對比實驗。

圖2　組合式蜂窩結構俯視圖

1.2相同規格二級蜂窩結構對比實驗

對于相同規格的二級串聯式鋁蜂窩結構壓縮可以分為兩種情形，即薄鋁隔板上下均是密蜂窩或疏蜂窩，記為H1.13-10 mm+H1.13-10 mm-CH與H1.87-10mm+H1.87-10mm-CH，其中“1.13”與“1.87”表示六邊形胞元邊長，“10mm”表示異面厚度，“CH”表示串聯。變形過程以疏蜂窩為例，如圖3所示。

圖3　相同規格二級串聯式鋁蜂窩壓縮過程

與單一正六邊形鋁蜂窩緩沖吸能原理相似，串聯式蜂窩結構也是通過蜂窩胞壁結構的屈曲進行吸能的［14］。從圖中可以看到，加載開始時上層靠近壓頭的蜂窩首先進行屈曲，進入彈性屈曲階段，此時結構是可恢復的；緊接著隔板上層蜂窩結構進入塑性屈曲階段，而下層蜂窩沒有發生結構屈曲；當隔板上層蜂窩進入壓實階段，隔板下層蜂窩開始發生結構屈曲；直至隔板上下兩級蜂窩都達到壓實應變，進入兩級結構的共同密實階段。

需要說明的是，對于準靜態壓縮，蜂窩結構通常是從壓頭方向進行結構屈曲。但是對于串聯蜂窩結構，因為實際加工過程不能保證上下兩個蜂窩試樣結構完全一致，故隔板上、下層蜂窩哪個先發生結構屈曲，具有一定的隨機性。

同樣，對于相同規格的二級組合式鋁蜂窩結構壓縮亦可以分為兩種情形，分別是上、下均是密蜂窩或疏蜂窩，記為H1.13-10 mm+H1.13-10 mm-ZH與H1.87-10mm+H1.87-10mm-ZH。“ZH”表示上下兩個蜂窩試樣直接疊加組合，其變形過程以疏蜂窩為例，如圖4所示。

和串聯式蜂窩緩沖結構響應方式不同，組合式鋁蜂窩首先是相同規格上下兩級蜂窩的相互嵌入，如圖4（b）所示，在這個階段結構所起的緩沖作用是蜂窩薄壁相互剪切的結果。相互嵌入的過程在嵌入厚度達到單層蜂窩的異面高度時結束，如圖4（c）所示。當上、下蜂窩完全嵌入之后，剩余結構進入共同壓潰階段，最后被壓實，如圖4（d）～圖4（e）所示。

1.3不同規格二級蜂窩結構對比實驗

對于不同規格二級串聯式鋁蜂窩緩沖結構，即薄鋁隔板上、下分別為疏蜂窩與密蜂窩，記為H1.87-10mm+H1.13-10mm-CH。其典型的異面壓縮變形響應如圖5所示。

圖4　相同規格二級組合式鋁蜂窩壓縮過程

與相同規格二級串聯式蜂窩響應方式略有不同，因為上下兩級蜂窩強度的差異，整個結構的變形首先是由強度較弱一級（疏蜂窩）先發生結構屈曲，當結構屈曲到一定壓實應力時，第二級（密蜂窩）再進行薄壁折疊，產生結構屈曲，最后上下蜂窩層共同進入壓實階段。這種結構屈曲的順序是可預判及可設計的。

對于不同規格二級組合式蜂窩緩沖結構，即薄鋁隔板上、下分別為疏尺寸蜂窩與密尺寸蜂窩，記為H1.87-10mm+H1.13-10mm-ZH。其異面壓縮變形響應與相同規格二級組合式蜂窩緩沖結構變形響應基本一致。

壓縮后的二級蜂窩結構如圖6所示。圖6（a）為二級串聯式蜂窩結構壓縮后試樣，可以看出壓實后隔板上、下級蜂窩結構均比較規則，并且蜂窩結構幾乎沒有泊松效應。圖6（b）為二級組合式蜂窩結構壓實后狀態，可以定性看出，其壓實后的試樣密實化程度比對等的二級串聯式蜂窩結構密實化程度更高。

1.4兩種二級蜂窩結構響應機理分析

二級串聯式蜂窩結構與二級組合式蜂窩結構的響應方式機理示意如圖7所示。

如圖7（a），對于二級串聯式蜂窩結構可以通過Wierzbicki［14］提出的超折疊單元理論解釋，蜂窩的周期性折疊使得異面壓縮過程中應力值出現一定的波動。而對于二級組合式鋁蜂窩結構的緩沖機理主要可以分為兩個部分：1）如圖7（b）所示，胞壁相互交錯排布，嵌入過程本質上就是薄板相互剪切的過程，因為蜂窩結構的嵌入強度弱于單層蜂窩結構的屈曲強度，故二級組合式蜂窩結構的嵌入過程先于蜂窩結構的屈曲過程；2）完全嵌入之后，再進行剩余結構的屈曲。剩余結構的等效密度可以認為是壓縮前結構等效密度的兩倍。正是由于響應機理的不同，這兩種二級蜂窩結構緩沖吸能特性在表現相似性的同時，存在較大的差異性。

2　緩沖吸能特性分析

2.1緩沖特性

描述鋁蜂窩緩沖吸能結構的緩沖特性物理量主要有峰值應力（包括一級峰值應力σp1與二級峰值應力σp2）、平臺應力（包括一級平臺應力σav1與二級平臺應力σav2）與壓實應變（εd）等特征參量。圖8為二級蜂窩結構的應力應變關系曲線。每種結構所經歷的應力響應曲線與前面描述的變形響應過程相符。表1為從圖中提取的特征參量值。

壓實應變選取方式為吸能效率-應力曲線中最大吸能效率時的壓實應力對應的應變［15-17］，吸能效率的定義如下：

式中：σm——任意應力；

εm——與之對應的應變；

E——蜂窩吸收的能量與對應應力的比值。

當吸能效率達到最大值時，表明蜂窩在該應力值處吸能特性最好。

二級蜂窩結構也表現出較大的緩沖特性的差異：1）二級串聯式蜂窩結構存在兩個明顯的峰值應力，大小為相對應結構的峰值應力；二級組合式蜂窩結構雖然只存在一個峰值應力，但是由于蜂窩完全嵌入之后結構等效密度翻倍，故其對應結構的峰值應力更高，林玉亮［11］分析這是等厚度組合式蜂窩結構相互嵌入的原因，對于不同厚度組合式蜂窩結構峰值應力會減弱。2）兩種二級蜂窩結構受壓后的密實化程度存在差異。二級組合式蜂窩結構的壓實應變大于二級串聯式蜂窩結構的壓實應變。這是因為組合式蜂窩在嵌入階段沒有嵌入密實過程；而串聯式蜂窩結構存在兩級壓實過程，故比對等的組合式蜂窩結構多一級壓實部分。

圖5　不同規格二級串聯式鋁蜂窩壓縮過程

圖6　壓縮后試樣

圖7　二級蜂窩結構響應機理示意圖

2.2吸能特性

二級蜂窩緩沖吸能結構的吸能特性是結構耐撞性研究的重點。實際應用中緩沖吸能結構的體積和質量往往都有所限制，特別是在航天領域中，緩沖吸能結構的質量越小、體積越小，經濟成本越低。因此，緩沖吸能結構的單位體積比吸能（volumetric energy density）和單位質量比吸能（special energy absorption），是衡量緩沖吸能結構特性的特征參數。蜂窩結構的吸能大小采用變形響應到壓實應變為止，此時蜂窩材料開始進入密實化階段［18］。

圖8　二級蜂窩結構應力應變關系

表1　二級蜂窩結構緩沖參數

由于蜂窩結構質量本身比較小，在計算二級蜂窩結構的等效密度時，薄鋁板的質量不能忽略。圖9為兩種二級緩沖結構的體積比吸能曲線與質量比吸能曲線，可見兩種比吸能曲線為兩段線性線段。組合式蜂窩比吸能曲線在應變0.5處出現轉折，而串聯式蜂窩比吸能曲線在應變小于0.5處轉折，這與2.1分析的組合式蜂窩嵌入過程沒有嵌入密實階段，而串聯式蜂窩存在兩級密實化過程的原因是相符的。從圖9可以得到二級蜂窩結構的吸能特性參數，如表2所示。

圖9　吸能特性對比

表2　二級蜂窩結構吸能參數

由表可知，組合式蜂窩結構的體積比吸能略大于串聯式蜂窩結構的體積比吸能；由于薄鋁隔板的影響，串聯式蜂窩結構具有更大的等效密度，因此串聯式蜂窩結構質量比吸能要明顯低于組合式蜂窩結構。總體來說，可以認為，二級組合式蜂窩結構在吸能特性方面優于二級串聯式蜂窩結構。

2.3限位框對二級蜂窩結構的影響

為了比較限位框對二級蜂窩結構緩沖吸能特性的影響，以二級組合蜂窩結構為例，分別進行了無限位框異面單軸壓縮加載和有限位框異面單軸壓縮加載，應力應變關系如圖10所示。

從圖中可以看出，限位框對蜂窩結構吸能特性基本沒有影響。但在第2個峰值應力處兩種曲線之間存在一定的差異。經過初步分析，我們認為在無限位框異面壓縮加載過程中，部分試樣發生了輕微局部傾斜，可以認為這種加載方式是異面壓縮和面內壓縮的復合加載的組合。文獻調研表明［19］，面內壓縮強度相對異面壓縮強度較弱。但是這也為消除組合式蜂窩結構的峰值應力提供一種可能途徑。

圖10　有無限位框組合式鋁蜂窩應力應變關系比較

2.4組合式蜂窩結構的優勢

目前應用最為廣泛的緩沖吸能結構是多級串聯式鋁蜂窩結構。通過以上分析，可以利用二級組合式蜂窩結構對緩沖吸能結構進行優化設計。

在保證吸能效果更好的前提條件下，組合式蜂窩結構最明顯的優勢是可以實現緩沖吸能結構的多級梯度平臺應力響應。比如在航天領域，航天器著陸緩沖結構主緩沖器緩沖能力的方案設計要求實現多級應力平臺；其一般是通過低、高兩級梯度緩沖吸能結構組合來設計優化的［20］。因為較低一級應力響應可以使得承載結構重心快速下降，從而增加了著陸的穩定性；同時可以防止飛行器開始著陸時的加速度增長過快，以保證加速度敏感器件的安全。本文可為新型緩沖吸能結構的優化設計提供依據。

3　結束語

本文基于準靜態異面壓縮試驗對兩種二級蜂窩結構的緩沖吸能特性進行了研究，獲得響應特性曲線，并分析變形機理，比較緩沖吸能特性，主要結論如下：

1）二級串聯蜂窩結構的變形模式是蜂窩薄壁結構的屈曲；二級組合蜂窩結構的變形模式可以分為兩個階段，首先經歷蜂窩結構的相互完全嵌入，其次是相互嵌入之后形成新結構的再壓潰階段。

2）組合式蜂窩結構的壓實程度大于串聯式蜂窩結構；串聯式蜂窩結構存在兩個應力峰值，組合式蜂窩結構只存在一個應力峰值，但是峰值更大。

3）組合式蜂窩結構的體積比吸能稍大于串聯式蜂窩結構的體積比吸能；而組合式鋁蜂窩的質量比吸能效果明顯優于串聯式蜂窩結構。

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（編輯：莫婕）

Studies on buffering and energy-absorption of two bilayer aluminum honeycomb structures

LI Xiangcheng，LIN Yuliang，LU Fangyun，LI Zhibing
（Institute of Engineering Physics，College of Science，NUDT，Changsha 410073，China）

Aimed to optimize multi-layer aluminum hexagonal honeycomb buffer and energyabsorption structures，related properties between bilayer combined aluminum hexagonal honeycomb andseriesaluminumhoneycombwerecompared.Theauthorscarriedoutontwotypesof hexagonal honeycomb with different sizes of cells under quasi-static out-of-plane compression.As a result，stress-strain curves of combined aluminum honeycomb and series aluminum honeycomb were gotten.Results show that both bilayer aluminum honeycomb structures can realize gradient plateau stress response，which is beneficial in the practical applications.Besides，it also shows that the insertion process of combined honeycomb structure can erase the initial peak stress，but a higher peak stress is left and it can also realize higher compaction degree.In a word，the ability of buffering and energy-absorption is better than series honeycomb structures.

combined aluminum honeycomb；series honeycomb structure；energy-absorption；outof-plane compression

A

1674-5124（2016）10-0100-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.019

2016-04-09；

2016-05-20

國家自然科學基金項目（11672329，11132012）

李翔城（1992-），男，湖南隆回縣人，碩士研究生，專業方向為材料動態力學性能。