波紋夾層結構耐撞性影響因素分析*

潘 晉 黃義飛 徐榮康 許明財

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (華中科技大學船舶與海洋工程學院2) 武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設施有限公司3) 武漢 430070)

0 引 言

波紋夾層結構由上下兩層鋼板及中間波紋型夾層板組合而成.通過在夾芯內填充吸能材料可以有效提高波紋夾層結構的吸能效果，并減小其在碰撞過程中的變形量[1].國內外已有較多學者對波紋夾層結構在沖擊荷載作用下的吸能和撞擊力做過研究.

Chen等[2]研究了波紋夾層結構夾芯層厚度、高度和傾角對其在準靜態荷載作用下吸能效果的影響；Dear等[3]通過落錘試驗研究了材料類型和夾層板尺寸對沖擊荷載作用下波紋夾層板的損傷變形與能量吸收的影響；韓賓等[4]利用LS-DYNA模擬夾層結構在剛性沖頭作用下的動態響應.周初陽[5]通過落錘沖擊試驗獲取了波紋夾層板在局部沖擊荷載作用下的損傷變形模式及撞擊力時序曲線，并將實驗結果與有限元仿真結果進行對比分析.楊鵬飛[6]對波紋夾層板進行了靜態壓縮試驗及準靜態數值模擬研究，發現增加面板厚度可有效提高結構剛度，但結構吸能無顯著提高，而增加夾芯層高度能有效延長沖擊時間，在減小最大沖擊荷載的同時提高結構的吸能效果.秦偉[7]采用LS-DYNA研究橡膠填充蜂窩夾層結構的抗侵徹性能，計算結果表明橡膠填充物可以明顯減小夾層結構的變形并增加結構吸能.周昊[8]基于SPH算法研究在超高速破片沖擊作用下泡沫填充波紋夾層結構的防護性能，得到了防護性能最優的波紋結構形式，并驗證了泡沫填充的波紋夾層結構的防護性能優于傳統結構.潘晉等[9]通過對船-橋墩防護裝置碰撞的仿真研究，對橋墩防護裝置的結構尺寸進行了改進.

現有研究多圍繞波紋夾層結構的幾何尺寸、夾芯層形狀，以及填充材料對結構耐撞性能的影響展開，而對于不同焊接形式及填充形式下波紋夾層結構的耐撞性分析較少.本文利用LS-DYNA模擬了不同焊接形式和不同填充方式下波紋夾層結構的沖擊響應，通過碰撞力峰值、吸能效果以及損傷特性對不同條件下夾層結構的耐撞性能進行對比分析.

1 波紋夾層結構數值模型

1.1 波紋夾層板外形尺寸

波紋夾層板主體結構示意圖見圖1，未填充PVC泡沫的夾層結構主要由上下面板和波紋核組成，波紋核形狀采用實際工程中最常用的三角形.為方便有限元計算數據的對比，泡沫填充夾層結構與未填充夾層結構的結構形式與尺寸都保持一致，僅在夾層結構內填充泡沫.夾層板整體外形尺寸大小為300 mm×300 mm×50 mm，面板、底板及波紋核厚度均為2 mm，波紋傾角為45°，其他尺寸見表1.剛性沖頭為30 mm×100 mm×150 mm的長方體，質量為55kg.

圖1 填充/未填充PVC泡沫波紋夾層結構幾何示意圖

表1 夾層結構尺寸參數

1.2 單元及網格劃分

圖2為沖頭-波紋夾層結構碰撞系統的模型.沖頭和PVC泡沫均采用實體單元模擬，其中沖頭為剛性材料，因此，只需要保證撞擊截面尺寸合理即可，沖頭質量可以通過材料密度控制.波紋夾層板的數值模擬一般有兩種方法：①采用shell163單元模擬，并通過實常數定義其厚度；②采用solid164單元建模.為簡化模型，縮短計算時間，本文采用shell163單元模擬.

a)未填充 b)PVC泡沫填充圖2 沖頭-波紋夾層結構碰撞系統模型

網格密度對模型計算結果的準確性及計算所消耗的時間成本影響較大，因此需要對模型的網格密度進行控制.為防止網格尺寸過大導致碰撞過程中沖頭和夾層結構相互穿透，以及網格尺寸過小導致計算時間過長，本次計算中碰撞區域網格尺寸為2 mm，其他區域網格4 mm，沖頭網格2 mm.

1.3 材料模型

波紋夾層結構中除剛性底板外的全部板材均為5052鋁合金材料，在ANSYS/LS-DYNA中采用*MAT_PIECEWISE_ LINEAR_PLASTICITY塑性帶失效的材料模型模擬，該模型適用于各向同性及分段線性硬化塑性材料，可以較準確的模擬鋁合金材料.由文獻[10]可知，材料的有效應力-應變曲線見圖3.表2為5052鋁合金材料的基本參數.

圖3 鋁合金材料的有效應力-應變曲線

密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比屈服強度/MPa2 700700.33150

文中波紋夾層結構的填充為Divinycell H100型號的PVC泡沫，其密度ρ=100 kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=100 MPa，在LS-PREOST中選用的材料模型是Crushable Foam可壓損泡沫模型.由文獻[11]可知，PVC泡沫材料的應力應-變曲線見圖4.

圖4 PVC泡沫應力-應變曲線

落錘的沖頭采用*MAT_ RIGID剛性材料模型，沖頭剛度相對于夾層結構而言較大，采用剛性材料模型模擬.表3為沖頭的基本材料參數.

表3 沖擊材料基本參數

1.4 接觸設置及邊界條件

波紋夾層板與沖頭之間設置面面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)，其中接觸面在沖頭，目標面為波紋夾層板上層面板.此外夾層結構設置自接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)防止夾層結構在沖擊荷載作用下發生大變形而產生自我侵徹.接觸算法采用罰函數算法，該算法具有對稱性、動量守恒、不需要碰撞和釋放條件，很少引起沙漏效應.

在邊界條件設置上，對波紋夾層結構下層面板四邊上的節點施加全約束，即約束各節點在x,y,z三個方向的位移和轉角，以保證碰撞過程中夾層結構不發生位移或轉動.對剛性底板四邊上所有節點約束全部自由度.另外碰撞過程中沖頭只能在豎直方向運動，因此需要將剩余5個方向的自由度全部約束.

2 焊接條件對夾層板耐撞性能的影響

2.1 碰撞力

由前期計算知，當沖頭初速度大于5 m/s時，未填充PVC泡沫的波紋夾層結構在沖擊荷載作用下達到最大變形量而失去吸能效果，因此,本文選取2,3,4,5 m/s四組速度作為沖頭的初速度，對夾層結構的耐撞性能進行研究.圖5為不同速度下焊接與未焊接型波紋夾層結構的碰撞力時程曲線對比.

由圖5可知，從碰撞力峰值及碰撞持續時間來看，當撞擊速度為較低的2 m/s時，焊接與未焊接兩種工況下的碰撞力時程曲線較為接近，二者碰撞力峰值無明顯差異，但未焊接條件下的碰撞過程較焊接條件下長；從碰撞歷程分析，焊接條件下碰撞力出現兩個峰值，第一峰值大小隨速度變化無明顯波動，第二峰值隨著速度的增大而增大，這是由于夾層結構上層面板和夾芯無法承受沖頭的沖擊，隨著初速度的增加，固定的下面板碰撞力會越來越大；未焊接條件下碰撞力在較短時間內增加至峰值，然后在峰值處維持一段時間后以較緩慢的趨勢下降至0，且隨著撞擊速度的增大，碰撞力在峰值處維持的時間越長.

a)v=2 cm/s b)v =3 cm/s

c)v=4 cm/s d)v=5 cm/s

波紋夾層結構在不同初速度的沖頭撞擊下碰撞力峰值對比見表4.

表4 不同速度及焊接條件下碰撞力峰值

由表4可知,夾芯層與上層面板焊接的波紋夾層結構在沖擊荷載作用下的碰撞力峰值高于未焊接條件的碰撞力峰值，且隨著沖頭初速的增大，二者差距也逐漸增大，當速度增加至5 m/s時，未焊接條件下的碰撞力峰值比焊接條件小了53.5%；焊接條件下波紋夾層板的碰撞力峰值會隨著撞擊速度的增大而增大，而未焊接條件下撞擊速度對碰撞力峰值的影響較小，這是由于當撞擊速度超過某一值時，沖頭與波紋夾層板之間的碰撞力高于波紋夾層結構的極限承載力，波紋夾層結構在保持極限承載力的條件下通過自身不斷變形吸收沖頭的全部能量.

2.2 結構損傷變形及吸能

圖6為兩種焊接形式的波紋夾層結構在不同沖擊速度下的變形云圖，由圖6可知，焊接條件下的最大變形發生在沖頭與夾層板接觸的區域，且隨著沖擊速度的增大上層面板發生翹曲，但在該沖擊速度范圍內，波紋夾層結構能較好的維持其整體結構形式；未焊接條件下夾芯層在向下壓縮的同時會向兩側擴張，這是由于夾芯層與上下面板之間缺少節點約束而發生相對滑動；沖擊速度達到5 m/s時，未焊接的波紋夾層結構幾乎達到其最大變形量，而夾芯層與上下面板焊接的波紋夾層結構仍有較大的變形吸能空間.

a)v=2 m/s

b)v=3 m/s

c)v=4 m/s

d)v=5 m/s

波紋夾層結構在不同初速度的沖頭撞擊下最大撞深對比見表5.

表5 不同速度及焊接條件下夾層結構撞深

由表5可知，不論在何種沖擊速度作用下，波紋核與面板焊接時的撞深均小于未焊接的夾層板.當速度大于2 m/s時，隨著速度的增加，未焊接夾層板與焊接型夾層板撞深差距越來越大.速度為3 m/s時，未焊接夾層結構撞深比焊接型夾層結構撞深大10.95%，速度達到5 m/s時二者撞深相差32.53%左右.

波紋夾層結構在受到撞擊的過程中主要通過自身結構的變形來吸收能量，圖7為波紋夾層在不同工況下各結構的吸能情況.

由圖7可知，無論焊接與否，在一定撞擊速度范圍內，波紋夾層板各部分吸能均隨著撞擊速度的提高而增加，且撞擊的大部分能量被上層面板和夾芯層吸收，下層面板由于其下方剛性底板的限制，變形量很小，因此吸能較少.對于夾芯層與上下面板焊接的波紋夾層結構，夾芯層吸能始終大于上層面板；而對于未焊接的夾層結構，當速度不超過4 m/s時，上層面板吸能高于夾芯層，當速度達到5 m/s時夾芯層吸能才超過上層面板，這是由于未焊接條件下夾芯層剛度較小，在速度低于一定值時碰撞的能量主要由上層面板變形吸收，而撞擊速度達到5m/s時，上層面板的變形量達到極值，而夾芯層還有一定的變形吸能空間.

a)焊接 b)未焊接

3 填充形式對夾層板耐撞性能影響

3.1 夾層結構填充形式

結合三角形波紋夾層結構的空間特點，泡沫填充主要有三種方式，分別是全填充、迎撞面填充和背撞面填充.本小節在夾層結構主尺度相同的條件下，考慮三種不同的泡沫填充方式對夾層結構耐撞性的影響.

3.2 計算結果分析

圖8為三種不同填充形式的波紋夾層結構在不同速度下的碰撞力時程曲線圖.碰撞過程中，全填充與迎撞面填充的碰撞力均迅速上升到一定值然后緩慢上升至峰值后迅速回落至0；背撞面填充的波紋夾層結構在碰撞過程中碰撞力迅速上升至第一峰值，在略微回落之后以較平緩的趨勢上升至第二峰值，然后迅速下降到0；三種填充形式下的碰撞力峰值均隨著沖擊速度的增加而增大，全填充形式的波紋夾層結構碰撞力峰值最大，碰撞歷程最短，背撞面填充的波紋夾層結構碰撞力峰值最小，碰撞過程最長.三種填充方式均會提高夾層結構的整體剛度，從而提高結構的耐撞性能，但碰撞力峰值也會急劇增加，從而對夾層板后的結構失去保護作用，而背撞面填充碰撞力峰值較全填充小，且延長了碰撞歷程，減小了結構質量.

圖9為不同填充形式下波紋夾層結構各部分吸能對比圖.三種填充形式下主要吸能構件均為夾芯層，這是由于鋁合金材料的強度遠大于PVC泡沫材料，且與上下兩層面板相比，夾芯層有較大的變形吸能空間；從PVC填充的利用效率來考慮，全填充形式的PVC泡沫的利用率較另外兩種填充形式高；背撞面填充形式下PVC泡沫的吸能最小，且隨著碰撞總能量的增加，其吸能占總吸能的比例逐漸下降，當撞擊速度為5 m/s時，背撞面填充的PVC泡沫僅吸收了總能量的3.8%.

a) v=2 m/s b) v=3 m/s

c) v=4 m/s d) v=5 m/s

圖10為不同填充形式紋夾層結構最大撞深柱狀圖.由圖10可知，沖擊荷載作用下，波紋夾層結構撞深隨著沖擊速度的增大而增大，與完全不填充的工況相比，PVC泡沫填充對上層面板和夾芯的變形均起到了限制作用，減緩了上層面板的變形程度；全填充形式的波紋夾層結構撞深最小,迎撞面填充形式的波紋夾層結構撞深最大.

圖9 波紋夾層結構各部分吸能圖

圖10 波紋夾層結構撞深柱狀圖

4 結 束 語

在沖擊荷載作用下，夾芯層與上下面板焊接的波紋夾層結構的碰撞力峰值比未焊接的波紋夾層結構低，且隨著沖擊速度的增大二者差距變大；夾芯層與上下面板焊接的波紋夾層結構的吸能能力比未焊接的夾層結構強；不論焊接與否，夾層結構的主要吸能部分為夾芯層和上層面板.

全填充、迎撞面填充、背撞面填充三種填充形式下的波紋夾層結構中，在相同速度的沖頭撞擊下，全填充波紋夾層結構的PVC泡沫的吸能效率高于另外兩種填充形式，但碰撞力峰值在三者中最大；迎撞面填充能有效提高結構的剛度，從而提高夾層結構的吸能能力，且能保證其碰撞力峰值不會過分增大.

因此，在波紋夾層結構的極限沖擊能量范圍內，未焊接形式的波紋夾層結構的耐撞性能最優，且能有效減少焊接帶來施工量；對于較高能量的沖擊荷載作用，可通過焊接及迎撞面填充PVC泡沫的形式提高結構的耐撞性，這種形式的波紋夾層結構能保證碰撞力峰值不過分增大的前提下提高結構的吸能效果及抗變形能力.