局部沖擊載荷作用下星形蜂窩夾芯梁的動態響應研究

熊飛揚 高松林 李曉彬 張 磊 杜志鵬 張春輝 肖登寶 李 營

(武漢理工大學交通學院交通學院1) 武漢 430063) (海軍研究院2) 北京 102401) (北京理工大學先進結構技術研究院3) 北京 100081)

0 引 言

提高艦船結構的抗爆抗沖擊性能是提高艦船生命力的關鍵問題[1].為提高抗爆抗沖擊能力，張延昌等[2]將蜂窩夾層板用于艦艇舷側防護結構，增加結構塑性吸能.而星形結構的動態承載能力和吸能效果較傳統的正方形蜂窩夾層板強[3].研究其抗爆抗沖擊性能，可以為艦船防護提供參考.Theocaris等[4]提出了星形結構，并利用均勻化理論研究了具有星形結構復合材料的負泊松比特性及其影響因素；Zhou等[5]通過對星形結構的胞元建立力學模型，利用歐拉梁理論推導出星形結構的等效彈性模量和泊松比；Reis等[6]利用均勻化理論結合有限元的方法研究了星形結構的等效彈性模量和泊松比.張一帆[7]通過3D打印技術制造了星形蜂窩結構，采用MTS萬能試驗機研究了星形結構的等效彈性模量和泊松比.Li等[8]利用數值方法討論了準靜態作用下胞元的幾何參數和材料對結構泊松比的影響.贠昊等[9]利用數值方法結合Bloch定理分析了彈性波在星形節點周期性蜂窩內部傳播的帶隙問題.Meng等[10]在Bloch定理的基礎上，結合(W-W)算法，利用動態矩陣研究了星形節點周期性蜂窩的帶隙問題.文獻[3]利用數值仿真，研究了動態載荷作用下二維星形結構的動力響應特性，給出了密實應變和動態平臺應力的經驗公式.上述研究主要集中在準靜態和動態作用下，且對星形夾芯結構在局部沖擊載荷作用下的實驗研究偏少.

本文利用泡沫鋁子彈高速撞擊星形夾芯梁結構[11-13]的試驗手段，運用高速攝影、DIC技術和動態數據采集系統對星形夾芯結構的變形過程和失效模式進行了研究.

1 試驗方法

1.1 試件

夾芯梁由面板、背板和芯層三部分組成.面板和背板由6063鋁合金制成，該材料的彈性模量72.4 GPa、泊松比0.33、密度2 700 kg/m3、屈服應力75.8 MPa、抗拉強度120 MPa；芯層由某公司通過3D打印技術制作，3D打印材料采用AlSi10Mg，該材料的彈性模量56 GPa，泊松比0.3，密度2 700 kg/m3，屈服應力180 MPa，抗拉強度345 MPa；泡沫鋁子彈采用某公司的泡沫鋁材料，泡沫鋁子彈的平均密度254 kg/m3，彈性模量1.05 GPa.

圖1為星形夾芯梁結構的芯層和芯層中星形胞元的結構示意圖.芯層是由星形胞元周期排列組成，長度方向包含26層胞元，寬度方向包含三層胞元，芯層的長寬高分別為208 mm×50 mm×24 mm；星形胞元的幾何尺寸由參數a，b，θ，t決定，見表1.通過改變星形胞元的壁厚t，構造了兩種星形胞元；面板和背板采用長208 mm、寬50 mm、厚1 mm的矩形板；泡沫鋁子彈采用直徑37 mm、長80 mm的圓柱體.

圖1 芯層和星形胞元的結構示意圖

表1 星形胞元的幾何尺寸

模型a/mmb/mmθ/(°)t/mm12.782.78630.622.782.78630.3

為了研究星形夾芯結構在局部沖擊載荷作用下的失效模式與胞元壁厚以及泡沫鋁子彈初始速度間的關系，設計了表2所示的實驗工況.

表2 試驗工況表

1.2 試驗裝置

試驗采用泡沫鋁子彈高速撞擊夾芯梁來模擬局部沖擊載荷對夾芯梁的作用，試驗裝置及示意圖見圖2.

圖2 泡沫鋁子彈撞擊夾芯梁試驗裝置示意圖

采用圖3的固支夾具實現夾芯梁兩端的固支邊界條件.采用一級氫氣炮，高速發射泡沫鋁子彈高速撞擊星形夾芯梁結構；采用高速攝影獲得泡沫鋁子彈的初始速度和泡沫鋁子彈撞擊夾芯梁的變形過程；采用DIC技術和兩臺高速攝影獲得夾芯梁背板在變形過程中的應變信號；采用應變片和數據采集儀，獲得夾芯梁面板在變形過程中的應變信號，應變片的安裝位置見圖3～4；采用高速攝影燈為高速攝影提供足夠的光強.

圖3 固支夾具裝置

圖4 應變片安裝位置示意圖

2 試驗結果分析

2.1 泡沫鋁子彈撞擊夾芯梁的過程

通過1號高速攝影記錄了泡沫鋁子彈撞擊夾芯梁的過程.圖5給出了工況5的試驗過程，其中將泡沫鋁子彈與夾芯梁接觸的時刻定義為0 ms.由圖5可知，當泡沫鋁子彈撞擊夾芯梁面板時，由于泡沫鋁子彈密度較小，其相對強度較夾芯梁小的多，因此子彈前端迅速發生塑性壓潰變形，并將泡沫鋁子彈的能量傳遞給面板，導致泡沫鋁子彈與面板接觸區域發生彎曲拉伸變形，并產生塑性鉸鏈，向兩側快速移動；面板在發生彎曲變形的同時將開始壓縮星形結構，使芯層中部發生明顯的塑性壓潰行為，芯層兩側則在中部壓縮拉力的和彎矩的作用下，發生彎曲拉伸變形；背板則在芯層的整體彎曲變形作用下，發生非彈性大變形.

圖5 泡沫鋁撞擊夾芯梁過程

當泡沫鋁子彈的動量為零時，夾芯梁的塑性耗散能達到最大，由于彈性能的釋放，夾芯梁開始回彈，在夾芯梁對泡沫鋁子彈的反作用力下，子彈與面板分離，并反向進行運動.

回顧整個撞擊過程，可以發現由于面板、芯層和背板三者沒有粘連在一起，導致在變形過程中三者發生明顯的脫離現象，并相互間發生二次碰撞，導致夾芯梁進一步發生塑性變形，因此,對夾芯梁面板、芯層和背板進行有效的連接能更好的增加夾芯梁的局部抗沖擊能力.

2.2 面板變形和失效模式

圖6為夾芯梁面板的失效模式圖.由圖6可知，面板的變形區域根據彎曲形式的區別可以分為兩類：內凹彎曲和外凸彎曲.其中泡沫鋁子彈與面板撞擊區域呈現外凸彎曲模式；撞擊區域周圍則是呈現內凹彎曲模式.

圖6 不同胞元壁厚情況下面板的失效模式

為了從數值上更好的分析面板的變形過程，給出了測點1處的應變數據曲線，見圖7.從應變時程曲線中可以明顯的發現兩個峰值和一個谷值，結合泡沫鋁子彈撞擊夾芯梁的過程和面板失效模式.可以總結出：當面板塑性鉸移動到測點1處時，測點1處發生外凸彎曲，應變曲線出現第一個峰值；當塑性鉸繼續往兩側運動時，測點1處的外凸彎曲程度逐漸減小，直至外凸彎曲變形消失，應變曲線出現波谷，此時面板只有拉伸變形.隨著面板繼續向前運動，測點1處開始發生內凹彎曲，彎曲程度逐漸增大；通過觀察夾芯梁的運動過程可以發現，應變曲線的第二個峰值是由于芯層和面板的二次撞擊導致面板測點1處應變出現短暫的上升.

圖7 面板測點1處的應變時程曲線

結合應變時程曲線，可以發現面板的變形由拉伸變形和彎曲變形相結合，其中彎曲變形占主導.

2.3 背板變形和失效模式

背板的變形模式基本一致，圖8為夾芯梁背板的失效模式圖.由圖8可知，夾芯梁在局部沖擊載荷作用下，背板的變形失效模式可近似為非彈性大變形，中心點撓度最大，沒有出現破口和斷裂情況.

圖8 不同胞元壁厚情況下背板的失效模式

為了從數值上更好的分析背板的變形過程，利用兩臺高速攝影和DIC技術，分析背板中心處位移時程曲線和背板位移云圖的變化規律.

圖9為背板中心點的撓度時程曲線，由圖9可知，背板中心點撓度曲線存在兩個峰值.根據泡沫鋁子彈撞擊夾芯梁過程，可以發現，第一個峰值是由于芯層對背板的初始撞擊形成，隨著芯層和背板的分離，背板在自身彈性應變能作用下開始回彈.當芯層與背板再次碰撞后，背板撓度開始出現第二個峰值，隨后繼續回彈，最后經過略微振動后趨于穩定值.

圖9 背板中心處的撓度時程曲線

圖10為不同時刻背板的應變云圖.由圖10可知，背板在芯層的作用下，發生非彈性大變形，背板的變形從中部向兩邊擴散，中部的撓度最大，向兩側逐漸減小.

圖10 不同時刻背板的位移云圖

2.4 芯層變形和失效模式

不同胞元壁厚夾芯梁的芯層變形存在一定差異，但基本上都可以將芯層變形區域劃分成兩類：子彈撞擊區域，該區域的變形比較嚴重；非子彈撞擊區域，該區域越靠近兩邊，變形越小.

圖11～12為壁厚0.3 mm的夾芯梁在局部沖擊載荷作用下，芯層的變形模式.按照變形特征可以將夾芯梁的變形區域劃分為壓縮區和無壓縮區.在壓縮區內，星形夾芯梁出現大面積的塑性變形，星形胞元發生折疊和坍塌，局部還存在撕裂和彎曲現象，因此該區域能夠吸收較多的沖擊能量；無壓縮區是指非子彈撞擊區域，由于沒有沖擊載荷直接作用，星形夾芯梁的塑性變形較小，胞元沒有坍塌和折疊現象，胞元壁主要發生彎曲現象.

圖11 胞元壁厚0.3 mm的夾芯梁芯層失效模式

圖12 胞元壁厚0.3 mm的夾芯梁變形局部放大圖

圖13為胞元壁厚0.6 mm的夾芯梁在局部沖擊載荷作用下，芯層的變形模式.按照變形特征可以將夾芯梁的變形區域劃分為局部彎曲和非局部彎曲.局部彎曲主要發生在泡沫鋁子彈撞擊區域，在該區域夾芯梁的彎曲程度大；而在泡沫鋁子彈撞擊區域附近，其彎曲程度較中心區域要小.通過局部放大圖，可以發現芯層彎曲主要是由于胞元壁發生斷裂和彎曲現象.

圖13 胞元壁厚0.6 mm的夾芯梁芯層失效模式和變形局部放大圖

3 夾芯梁參數的影響

圖14為不同泡沫鋁子彈初始速度和胞元壁厚情況下面板以及背板中點處的最大撓度.由圖14可知，相同脈沖載荷作用下，壁厚t越小，背板和面板的撓度越大；同一夾芯梁，面板中心處撓度大于背板中心處撓度；相同壁厚條件下，局部沖擊載荷越大，背板和面板的撓度越大，并近似呈現線性變化.為了能快速預測星形夾芯梁在不同沖擊載荷下的背板撓度，分別給出了壁厚為0.3 mm和0.6 mm撓度的線性擬合函數.

w0.3=0.148v-1.157

(1)

w0.6=0.115v-2.810

(2)

式中：w0.3為胞元壁厚0.3 mm的夾芯梁背板中心點撓度；w0.6為胞元壁厚0.6 mm的夾芯梁背板中心點撓度；v為泡沫鋁子彈的初始速度.

圖14 面板和背板中點撓度隨子彈初始速度變化

4 結 論

1) 在局部沖擊載荷作用下，面板、芯層和背板的失效模式不一樣.面板的失效模式主要表現為子彈撞擊區域的外凸彎曲和非子彈撞擊區域的內凹彎曲；芯層的失效模式根據壁厚的不同可以劃分為兩類：壓縮失效和彎曲失效，壁厚0.3 mm的芯層在子彈撞擊區域發生壓縮失效模式，非子彈撞擊區為彎曲變形，壁厚0.6 mm的芯層在子彈撞擊區域為局部彎曲，往兩側彎曲程度逐漸減小；面板主要發生整體彎曲和拉伸變形，無明顯的局部壓入變形.

2) 星形夾芯梁背板和面板中心點的撓度隨著壁厚的減小而增加，因此,增加芯層厚度能顯著地提高夾芯梁的抗沖擊能力；星形夾芯梁背板和面板中心點的撓度隨著子彈初始速度的增加而增加，并近似呈現線性變化關系.