鋁合金波紋夾層板在低速沖擊下的耐撞性研究*

潘 晉 吳天昊 周初陽 許明財

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430000) (華中科技大學船舶與海洋工程學院2) 武漢 430000)(武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司3) 武漢 430070)

鋁合金波紋夾層板在低速沖擊下的耐撞性研究*

潘 晉1)吳天昊1)周初陽1)許明財2,3)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430000) (華中科技大學船舶與海洋工程學院2)武漢 430000)(武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司3)武漢 430070)

基于數(shù)值模擬仿真方法，討論了撞擊速度、波紋核形狀與界面連接情況對鋁合金波紋夾層板的耐撞性的影響.計算結(jié)果表明，在撞擊速度較低時波紋夾層板有很好的緩沖效果，撞擊速度小于5 m/s時撞擊力峰值不會有太大波動；波紋核形狀為三角形的波紋夾層板的吸能保護效果優(yōu)于波紋核形狀為梯形與弧形的夾層板；撞擊速度小于4.3 m/s時，夾芯層與上層面板未連接時的撞擊力峰值要小于連接時的情況但會出現(xiàn)較大的變形，而撞擊速度大于4.3 m/s時夾芯層與上層面板未連接時的撞擊力大于連接時的情況，且撞擊速度越大兩者差距越大.

波紋夾層板；耐撞性；波紋核形狀；撞擊速度；界面連接

0 引 言

夾層板結(jié)構(gòu)與普通的加筋板相比具有密度小、耐腐蝕性強、結(jié)構(gòu)形式簡單而制作成本低等優(yōu)點[1-2].夾層板按照夾芯類型可分為蜂窩式、折疊式、混凝土夾層板等.折疊式夾層板，又稱為波紋夾層板(corrugated sandwich plate,CSP)，其夾芯層為平板或薄壁結(jié)構(gòu)[3-5].國內(nèi)外已經(jīng)有多位學者與機構(gòu)對夾層板在工作時的吸能或撞擊力等做過研究.Liu等[6]做了夾層板在局部沖擊下的彈塑性動態(tài)響應(yīng)的研究；張延昌等[7]對折疊式V形夾層板在橫向壓皺載荷下的吸能特性進行了研究并提出了兩種單元變形模式；周初陽[8]對波紋夾層板進行了落錘沖擊實驗，獲得在局部沖擊載荷作用下的損傷變形模式與撞擊力時序曲線后與ANSYS有限元計算結(jié)果進行了對比.Tilbrook等[9]對折疊式夾芯層結(jié)構(gòu)動態(tài)壓潰響應(yīng)進行了試驗研究并且進行了數(shù)值仿真的對比分析.

現(xiàn)階段鮮有文章對鋁合金材料波紋夾層板在夾芯層形式不同、初始撞擊速度不同、連接條件不同等情況下的耐撞性能比較研究.文中將以鋁合金材料波紋夾層板為研究對象,利用LS-DYNA模擬沖頭沖擊過程，分別討論波紋夾層板在夾芯層形式不同、撞擊速度不同、界面連接情況不同的條件下的耐撞性能即撞擊力、吸能效果和損傷特性等，并對結(jié)果進行比較分析.

1 波紋夾層板的數(shù)值模型

1.1 波紋夾層板的尺寸與形式

通過有限元軟件模擬折疊式夾層板受橫向沖時動態(tài)效應(yīng)，將夾層板周邊約束，用剛性沖頭垂直撞擊夾層板中心位置.在夾層板的底部，增加一剛性底板來模擬夾層板后面保護的橋墩等結(jié)構(gòu).

夾層板的具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1.波紋夾層板的夾芯部分選用目前最常見的三角形.剛性沖頭的截面為30 mm×100 mm的矩形，高度為150 mm，質(zhì)量為63 kg.圖1為波紋夾層板與沖頭的結(jié)構(gòu)示意圖.撞擊速度選取較小的2，3.5，5 m/s.

表1 夾層板結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖1 夾層板與沖頭結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 單元、材料與網(wǎng)格控制

波紋夾層板的上下面板及夾芯層均為5052鋁合金材料，采用與應(yīng)變率相關(guān)的各項同性材料模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC),它是各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型，可考慮失效.應(yīng)變率對材料屈服強度的影響采用Cowper-Symonds本構(gòu)方程來表達，即

(1)

(2)

由文獻[10]可知，5052鋁合金對應(yīng)變率不是很敏感，在不同應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不會有明顯改變，文中不考慮應(yīng)變率對材料的影響.材料參數(shù)分別為：密度ρ=2 700 kg/m3,泊松比μ=0.34，初始屈服應(yīng)力σ0=59.8 MPa,彈性模E=68.9 GPa.撞擊是一個動態(tài)響應(yīng)過程，有限元模型必須嚴格控制網(wǎng)格密度，既要防止單元尺寸過大引起的主從面單元互相穿透，又要避免單元尺寸過小引起的計算時間過長.因此在撞擊區(qū)域?qū)W(wǎng)格進行加密，網(wǎng)格大小2 mm，其他區(qū)域網(wǎng)格大小5 mm，沖頭網(wǎng)格大小2 mm.

1.3 接觸設(shè)置和邊界條件

將剛性沖頭與夾層板之間的接觸定義為面面接觸.將剛性沖頭定義為接觸面，夾層板定義為目標面.當結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時，其內(nèi)部自身會互相接觸.因此，要避免相互現(xiàn)象，夾層板內(nèi)部需定義自接觸.在邊界條件上，對夾層板的四邊節(jié)點進行全約束處理.

2 沖擊速度對夾層板耐撞性的影響

2.1 結(jié)構(gòu)損傷變形

圖2為波紋夾層板在三組速度下的變形云圖，位移的具體數(shù)值見表2.由圖2可知，撞擊過程中的最大變形都發(fā)生在沖頭撞擊區(qū)域，且離撞擊區(qū)越近，變形也就越大，同時撞擊速度越大變形也越明顯，上層面板的變形在三種撞擊速度下均略大于夾芯層變形.

圖2 不同速度下夾層板變形云圖

位移/mm速度/(m·s-1)23.55上層面板最大位移9.0917.4829.47夾芯層最大位移 6.1114.6521.78

2.2 撞擊力

圖3 撞擊力時序曲線

圖3為波紋夾層板在三組撞擊速度下的撞擊力時序曲線.由圖3可知，在不同三種速度下的撞擊力峰值幾乎沒有變化.撞擊速度2 m/s時撞擊力峰值為17.7 kN；撞擊速度為3.5 m/s時撞擊力峰值為18.6 kN；撞擊速度為5 m/s時撞擊力峰值為18.7 kN.這表明在夾層板未失效時，撞擊速度的變化對撞擊力峰值的影響較小.比較撞擊力的變化趨勢，總體來說都是沖頭與夾層板接觸后瞬間達到峰值之后衰減，持續(xù)約0.013 s左右.不同的是撞擊速度為5 m/s時在0.009 s左右開始撞擊力會有明顯增大到0.01 s產(chǎn)生第二個峰值，數(shù)值上與第一個峰值相差不大.這是因為在撞擊速度較小時夾層板的主要變形為較小的塑性變形，結(jié)構(gòu)整體剛度較小.而在較大的撞擊速度下，結(jié)構(gòu)的變形達到一定程度后結(jié)構(gòu)被壓縮從而剛度變大，撞擊力重新開始增大.

2.3 能量吸收

在沖頭撞擊夾層板的過程中，沖頭的動能大部分會轉(zhuǎn)化為夾層板結(jié)構(gòu)的彈性變形能、塑性變性能，另外有小部分會轉(zhuǎn)化為熱能與沙漏能量.圖4為波紋夾層板的上面板、夾芯層與下面板在三組速度下的能量吸收時序曲線.由圖4可知，上層面板與夾芯層部分吸收絕大部分能量，夾芯層部分吸收的能量又大于上層面板，而下層面板只吸收極小部分能量.在不同撞擊速度下，各部分吸收能量的比例不同.上層面板與下層面板吸收能量的比例會隨著撞擊速度增大而增大，夾芯層則相反.各構(gòu)件在不同速度下的吸能占比見表3.

圖4 能量吸收時序曲線

吸能占比/%速度/(m·s-1)23.55上層面板31.240.444.9夾芯層 67.557.152.6下層面板1.32.52.5

3 波紋核形狀對夾層板耐撞性的影響

3.1 夾層板結(jié)構(gòu)形式

為減少其他因素對夾層板耐撞性的影響，夾層板的結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，僅改變波紋核的形狀.三種夾芯層選用波高和波長相同的波紋核，見圖5.

圖5 夾芯層部分波高與波長

3.2 計算結(jié)果與分析

圖6為三種波紋核的夾層板在2，3.5和5 m/s下的撞擊力峰值對比.由圖6可知，不論是哪種速度下，波紋核為三角形的夾層板撞擊力峰值都最小，緩沖效果最好；只有在撞擊速度為2 m/s時梯形的撞擊力峰值小于弧形，撞擊速度為3.5和5 m/s時都大于弧形.撞擊速度增大時，波紋核為梯形與弧形的夾層板撞擊力峰值都會有較大增加而波紋核為三角形的夾層板的撞擊力峰值只有略微增加，總體穩(wěn)定在18 kN左右.

圖6 撞擊力峰值柱狀圖

圖7為三種波紋夾層板在撞擊速3.5 m/s時上層面板與波紋核的產(chǎn)生最大變形時的變形云圖.三者的最大位移都在20 mm左右，其中波紋核形狀為三角形的夾層板最小，為17.48 mm；波紋核形狀為弧形的夾層板最大，為20.89 mm；波紋核形狀為梯形的最大位移17.67 mm.

圖7 波紋夾層板上面板變形云圖

圖8為三種波紋核的夾層板在2，3.5,5 m/s下的吸能對比.在撞擊過程中，沖頭的大部分能量都轉(zhuǎn)化為夾層板結(jié)構(gòu)的變形能.從柱狀圖來看，三者的吸能近乎一樣，只有極小差別.不論在哪個速度下，波紋核為三角形的夾層板吸能都是最多的，且隨著速度的增大，其他夾層板與其的差距更為明顯.在變形上，波紋核為三角形的夾層板反而是最小的，證明該類型夾層板的吸能效率較高.

圖8 吸能柱狀圖

4 界面連接形式對夾層板耐撞性的影響

4.1 界面連接形式

除了波紋核的形狀，夾芯層與上下面板的連接情況對波紋夾層板的耐撞性也有著較大影響.在實際中，界面連接除了連接與不連接外還有部分連接的情況，在文中中僅討論夾芯層與上下面板連接與不連接兩種情況.

選用波紋核為三角形的夾層板，在2，3.5和5 m/s三組撞擊速度下比較夾芯層與上下面板連接與未連接兩種情況時的撞擊力、結(jié)構(gòu)損傷變形與能量吸收.在有限元模型的處理上，夾芯層與上層面板采取共節(jié)點連接來模擬焊接情況；夾芯層與上層面板不共節(jié)點連接來模擬不焊接的情況.

4.2 計算結(jié)果分析

圖9為兩種界面連接情況時夾層板在三組撞擊速度下的撞擊力時序曲線圖.

圖9 撞擊力時序曲線

由圖9可知，在撞擊速度為2和3.5 m/s時，夾芯層與上下面板未連接時的撞擊力峰值要小于夾芯層與上下面板連接時的峰值.但是持續(xù)時間要長得多，幾乎是連接時的兩倍.但當撞擊速度增大到5 m/s時，未連接時的撞擊力峰值會猛然升到67.8 kN，要遠大于連接時的峰值.這是因為界面未連接時，夾層板的剛度遠小于界面連接時的剛度.當撞擊速度較小時，夾層板可以通過自身的變形來吸收沖頭的動能.而當撞擊速度大于某個值的時候，夾層板結(jié)構(gòu)自身的變形達到了極限也不能完全吸收沖頭的動能，使得沖頭撞擊到夾層板下面的剛性底板，撞擊力激增.

表4為兩種連接情況下，夾層板上面板在撞擊過程中產(chǎn)生的最大位移.從表中可以看到不管是哪種撞擊速度下，界面未連接時的最大位移都要大于界面連接時的最大位移.注意到夾芯層高度為50 mm，而撞擊速度為3.5 m/s及以上時的變形幾乎達到下面板.

表4 夾層板上面板的最大位移

為了探究在不同速度下界面連接與未連接時撞擊力峰值的變化，又取了幾組撞擊速度來進行有限元模擬.圖10為在不同速度下，夾層板的界面連接與未連接時的撞擊力峰值.從圖中可以看到當撞擊速度小于4.3 m/s時，界面未連接時的撞擊力峰值要小于界面連接時的撞擊力峰值，而撞擊速度大于4.3 m/s時則相反.

圖10 不同界面連接時的撞擊力峰值

撞擊速度從3.8 m/s增加到5 m/s的過程中，界面連接時的撞擊力峰值一直穩(wěn)定在20 kN左右.而界面未連接的情況下，當撞擊速度大于4.3 m/s時，撞擊速度的每次細微變化都會引起撞擊力峰值的巨大變化.可以認為當撞擊速度大于4.6 m/s時，界面未連接的夾層板已經(jīng)幾乎失去了保護效果.

5 結(jié) 論

1) 對不同的低速沖擊載荷，夾芯層與上下面板連接的鋁合金夾層板在撞擊過程中產(chǎn)生的撞擊力峰值相差不大，夾芯層為主要的吸能構(gòu)件.

2) 在三角形、梯形、弧形三種波紋核形狀的夾層板中，三角形的夾層板吸能效果最好.

3) 撞擊速度小于4.3 m/s時，夾芯層與上下面板未連接的鋁合金夾層板的撞擊力峰值要小于連接時的情況；而當撞擊速度大于4.3 m/s時，界面未連接的夾層板撞擊力增加極快，可以認為當撞擊速度大于該值時，界面未連接的夾層板已經(jīng)幾乎失去了保護效果.

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Study on Aluminum Alloy Crashworthiness of Corrugated Sandwich Plate under Low Speed Impact

PANJin1)WUTianhao1)ZHOUChuyang1)XUMingcai2,3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430000,China)1)(SchoolofNavalArchitecture&OceanEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430000,China)2)(WuhanLituoBridgeProtectionTechnologyCo.Ltd.,Wuhan430070,China)3)

Based on the numerical simulation method, the influences of the impact velocity, the shape of the corrugated core and the interface connection on the crashworthiness of the aluminum alloy corrugated sandwich plate are discussed. The results show that the corrugated sandwich plate has a good cushioning effect when the impact speed is low. And the peak value of impact will not fluctuate too much when the impact speed is less than 5 m/s. In addition, the energy absorption effect of corrugated sandwich plate with triangular corrugated core is better than that of trapezoidal or curved corrugated core. When the impact velocity is less than 4.3 m/s, the separation between sandwich layer and the upper panel results in a smaller peak value of impact force compared with the connected situation, but there will be a larger deformation. When the impact speed is greater than 4.3 m/s, the impact force of sandwich plate with separated layers is greater than that of connected layers, and the gap will be gradually widened with the increase of impact velocity.

corrugated sandwich plate; crashworthiness; corrugated core shape; impact velocity; interface connection

U661.4

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.008

2017-10-20

潘晉(1978—)：女，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域為工程結(jié)構(gòu)與力學

*國家自然科學基金青年基金項目(51609192)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(2017IVB007)、浙江省近海海洋工程技術(shù)重點實驗室開放基金項目(ZJOELAB-1602)資助