新型變截面波紋夾層結構抗爆炸沖擊性能

李響，李銳，徐興興，李林

新型變截面波紋夾層結構抗爆炸沖擊性能

李響1,2，李銳2，徐興興2，李林3

（1.三峽大學 水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002；3.湖北力帝機床股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

為了提升夾層結構的抗爆炸沖擊性能，創新構型了一種變截面波紋夾層結構，該新型夾層結構上面板為平板，下面板呈V形變化。利用理論分析與數值模擬方法研究了下面板夾角和波紋夾芯放置方式對該夾層結構抗爆炸沖擊能力的影響。經研究發現，與傳統波紋夾層結構相比，該新型變截面波紋夾層結構具有更優越的抗爆炸沖擊性能，并且其各項性能會隨V型角的減小而不斷提升，將波紋夾芯縱向放置時有利于減小夾層結構的整體變形，橫向放置則會具有更好的吸能緩沖特性。本文研究內容有望為進一步提升波紋夾層結構抗爆炸沖擊性能提供依據和參考。

變截面波紋夾層結構；抗爆炸沖擊性能；下面板夾角；夾芯放置方式；數值模擬

作為多孔復合材料的一種，與其它多孔復合材料相比，波紋夾層結構具有結構簡單、加工方便、制造成本低等諸多優點[1]，目前已被廣泛應用于航空航天、船舶交通、裝甲防護等重要領域。在裝甲防護方面，復合夾層結構的快速發展為人們提高結構的抗爆炸沖擊性能提供了新的途徑，研究證明：無論是在空氣中還是在水下，三明治金屬夾層結構的抗爆炸沖擊性能均要優于和其等質量的實體金屬板結構，其中蜂窩夾層結構和波紋夾層結構顯得尤為突出[2]。目前針對這兩種夾層結構抗爆炸沖擊特性，國內外專家學者也是展開了廣泛和深入的研究。Xue等利用有限元數值模擬研究了方形蜂窩、波紋型和點陣夾層梁在爆炸載荷作用下的動態響應過程，發現波紋夾層梁和方形蜂窩夾層梁的抗爆炸沖擊性能優于點陣夾層梁[3]；Zhang等通過實驗和數值模擬對四層波紋夾層結構在沖擊載荷作用下的響應進行了研究，并討論了夾層壁板厚度的排列順序對背面板變形的影響[4]；Zhang等采用實驗和仿真相結合的方法研究了三角波紋夾層板和實體板在空爆載荷作用下的變形和失效模式[5]，王紫民采用LS-DYNA顯式動力學軟件分別對鋼質薄殼和ABS工程塑料兩種材質進行了爆炸的數值模擬，得出兩種材料對爆炸沖擊的能量吸收情況[6]，李勇等對空中爆炸載荷作用下梯度波紋夾層結構的抗爆炸沖擊性能進行了數值模擬分析,并認為梯度波紋夾層結構與傳統波紋夾層結構相比具有更優越的抗爆炸沖擊性能[7]。王顯會仿真分析了爆炸沖擊載荷下夾層結構布置方式和層數的改變對性能的影響，發現橫向布置吸能更好，縱向布置的剛度和強度更高以及雙層蜂窩夾層結構的抗沖擊性更好[8]。羅小麗為提高抗爆炸性能，對蜂窩壁厚進行功能梯度分析，發現具有厚度梯度的結構抗爆炸沖擊更好[9]。朱易等通過有限元數值模擬研究了復合夾層板在爆炸載荷下的吸能特性，發現蜂窩夾芯的放置方式對夾層結構的能量吸收具有很大的影響[10]；任鵬等對水下沖擊載荷下波紋夾層結構動態響應特性進行了分析和研究，發現波紋夾層板的抗沖擊防護能力要優于具有相同面密度的格柵夾層板[11]；然而這些研究均是建立在傳統形狀的波紋夾層結構之上，對變截面金屬夾層結構的研究甚少，事實上爆炸載荷作用面的形狀對爆炸沖擊是有很大影響的，Anant等在研究過程中發現V型底部結構能夠有效致偏爆炸沖擊波[12]，減小爆炸沖擊作用力，具有良好的防護性能。

綜上所述，為了更好地提高波紋夾層結構的抗爆炸沖擊性能，本文創新構型了一種新型變截面波紋夾層結構，該夾層結構上面板為平板，下面板呈V形變化，如圖1所示。本文將采用理論分析與數值模擬的方法研究其下面板角度和波紋夾芯放置方式對該新型波紋夾層結構抗爆炸性能的影響，有望為進一步提升波紋夾層結構的抗爆炸性能提供參考。

1 新型變截面波紋夾層結構模型

1.1 數值計算模型

圖1 兩種新型波紋夾層結構示意圖

文中采用Johnson-Cook本構模型來描述金屬在爆炸沖擊下的物理特性。此模型采用流動應力和失效效應來描述材料的動態力學及失效特性，常用于模擬金屬在高應變率、大變形及溫度效應問題下的動態行為，其具體形式為[14]：

本文中，夾層結構上、下面板為和中間夾芯均以裝甲鋼為材料，其材料模型參數[15]如表1所示。

表1 材料模型參數

1.2 有限元模型的驗證

為了驗證上述爆炸載荷加載方法和材料描述模型的正確性，本文通過模擬A. Neuberge等的爆炸沖擊試驗[16]進行驗證，A. Neuberge等進行了如下試驗：取直徑為1 m，厚度為0.02 m的圓形鋼板進行爆炸沖擊，將爆炸當量為3.75 kg的TNT在距鋼板中心0.2 m處引爆，鋼板周邊采用固定支撐，實驗裝置如圖2所示，實驗中測得鋼板中心最大位移為0.056 m，在本文數值模擬中，鋼板中心最大位移為0.0554 m，其位移云圖如圖3所示，實驗數據和模擬數值兩者吻合良好，驗證了CONWEP在爆炸沖擊模擬中的可靠性。

圖2 鋼板爆炸實驗

圖3 鋼板位移云圖

2 數值模擬

2.1 夾層結構的變形情況分析

本文首先對比了在下面板夾角為152°和180°情況下的兩種夾層結構在同樣爆炸條件下的動態響應歷程，為了便于描述分別記為A152、A180、B152、B180。圖4為四種夾層結構在爆炸載荷下的變形模式。

圖4 夾層結構動態響應

從圖4可以看出，A、B兩種類型的夾層結構在爆炸載荷下的動態響應過程存在很明顯區別，在受到爆炸載荷沖擊時，A型夾層結構經歷了從迎爆面板到波紋夾芯，最后到背爆面板依次變形的動態響應過程，波紋夾芯發生了大規模壓潰，迎爆面板也發生了大位移塑性變形，這種現象在夾層結構下面板夾角為180°時尤為明顯；B型夾層結構動態響應則有明顯不同，夾芯沒有出現明顯的壓潰現象，背爆面板變形更加迅速。這與兩種夾層結構的整體剛度有關，在同樣條件下，將夾芯橫向放置會使得夾層結構彎曲剛度較小。在受到沖擊作用時，結構剛度越小，越容易發生變形。同時，從圖4可看出，當夾層結構下面板角度減小時，兩種夾層結構迎爆面板和背爆面板的變形程度均會大幅度降低，并由圖5可發現A型夾層結構迎爆面板變形區域會逐漸縮小，這說明在面板夾角為152°時，夾層結構受到沖擊作用比180°時要小。B型夾層結構面板變形區域則沒有發生明顯變化，其動態響應主要以整體變形為主。

圖5 夾層結構下面板變形

為了更精確地對比上述四種結構在爆炸載荷作用下的變形情況，選取夾層結構上、下面板中心點位移為研究對象，作出中心點位移隨時間變化曲線。

圖6為夾層結構上面板中心位移隨時間變化曲線，由圖可以看出A152、B152上面板位移相比A180、B180均大幅度減小，A152相對A180減小70.9%，B152相對B180減小72.8%。在180°時B型夾層結構上面板變形大于A型，而在152°時兩種夾層結構上面板變形差異并不明顯。同時從曲線的變化趨勢可以看出，兩種夾層結構上面板變形在152°時的波動要小于180°。

對于下面板的變形，從圖7可以看出A152、B152分別要小于A180、B180，同時夾芯的放置方式也會對下面板的變形產生很大的影響。夾芯橫向放置時，夾層結構下面板變形要大于縱向放置，這是由波紋夾芯自身特性決定的，橫向放置的波紋夾芯無法承受較大的載荷。將夾芯縱向放置時，夾層結構整體剛度較大，抵抗變形的能力更強。B152下面板變形最小,僅為13.7 mm，此時B型夾層結構體現出其巨大的抗變形優勢，這意味著該種夾層結構能具有承受更大爆炸載荷和多次抗打擊能力。

圖6 上面板中心位移

圖7 下面板中心位移

2.2 爆炸過程中沖擊速度和加速度

作為衡量夾層結構抗爆炸性能的最主要指標之一，夾層結構在爆炸載荷下面板沖擊速度直接關系到防護對象的安全。夾層結構在爆炸過程中往往要經歷如下歷程，即爆炸作用面板先獲得一個初速度，然后夾芯開始壓縮，最終上、下兩塊面板和夾芯以同一速度進行運動[17]。由圖8可知，兩種夾層結構上面板沖擊速度會隨著下面板夾角的減小大幅度降低，A152相對A180降低75.6%，B152相對B180降低58.1%，同時A152、A180分別比B152、B180速度增加地緩慢，這得益于橫向放置的波紋夾芯有更好的吸能緩沖特性，此時A152上面板中心沖擊速度僅為23.4 m/s。圖9為上面板中心加速度隨時間變化曲線，由圖像可知，當下面板夾角為152°時，兩種夾層結構上面板中心加速度均大幅度減小，將波紋夾芯橫向放置能最大程度降低爆炸過程中面板的沖擊加速度，此結論與圖8中觀察到的結果也是相吻合的。

圖8 上面板中心速度

圖9 上面板中心加速度

2.3 爆炸過程中的能量分析

夾層結構在受到爆炸載荷沖擊波作用時，往往會經歷如圖10所示的能量轉換過程，首先在巨大的爆炸沖擊波作用下夾層結構迎爆面板獲得較大的初始動能，隨著時間的進行，面板和夾芯發生大規模塑性變形，動能逐步轉化為內能。

從圖11可以看出兩種夾層結構在爆炸過程中獲得的初始動能均會隨下面板夾角的減小而減小，A152相對A180初始動能大約減少58%，B152相對B180減少66%。這是V型面板對爆炸沖擊波偏置作用的結果。在某一定范圍內，下面板夾角越小，對爆炸沖擊波的偏置作用越強。波紋夾芯的放置方式對初始動能也有較大影響，將波紋夾芯縱向放置時夾層結構獲得的初始動能要小于橫向放置。對于兩種夾層結構的吸能情況，

圖10 能量轉換曲線

圖11 初始動能曲線

圖12 夾層結構內能曲線

從圖12可以看出A152、B152吸收的能量分別要小于A180、B180，造成這種現象的主要原因是因為當下面板夾角為152°時，兩種夾層結構的初始動能較小。波紋夾芯橫向放置時更有利于能量的吸收，但是這種吸能的提升建立在波紋夾芯的大規模塑性變形上，過大的塑性變形會導致結構的損傷與破壞。縱向放置時吸能較少，將夾芯縱向放置有利于降低夾層結構的整體變形。為了更進一步研究變截面波紋夾層結構下面板夾角和波紋夾芯放置方式對夾層結構抗爆炸性能的影響，對兩種夾層結構下面板分別取152°、160°、168°、180°進行數值模擬得到其結果如圖13所示。

圖13 上面板中心位移隨下面板夾角變化曲線

圖13為上面板中心位移隨下面板夾角變化的曲線，由圖可以看出隨著下面板角度的不斷減小，A、B兩種夾層結構上面板中心位變形均會大幅度降低，波紋夾芯的放置方式對上面板變形也有很大的影響，將夾芯橫向放置時上面板中心變形比縱向放置時要小，不過隨著下面板夾角的減小，這種差距會不斷縮小。造成這種現象的原因是下面板夾角為180°時，夾層結構受到沖擊較大，此時波紋夾芯的放置方式會對上面板變形產生很明顯的影響，而隨著下面板夾角的減小，夾層結構受到的沖擊作用不斷降低，夾層整體變形大幅度減小，從而這種差異也會變得不再明顯。

圖14為上面板中心沖擊速度隨下面板夾角變化曲線，不難看出兩種夾層結構上面板中心沖擊速度會隨夾層結構下面板夾角的減小而減小，同時A型夾層結構展現出了更好的緩沖特性，A型夾層結構上面板沖擊速度相比B型也是大幅度降低。這與波紋夾芯放置方式有關，波紋夾芯橫向放置時，雖然承受載荷能力有限，但是在受到爆炸沖擊波作用時，往往會發生大位移的塑性變形，此時吸收能量更多，緩沖效果更加明顯，上面板沖擊速度能得到最大程度地降低。

圖14 上面板中心沖擊速度隨下面板夾角變化曲線

圖15 初始動能隨下面板夾角變化曲線

圖15為初始動能隨下面板夾角變化曲線，由圖像可知夾層結構的初始動能也會隨著下面板夾角減小而不斷降低，這是V型角對爆炸沖擊波偏置的結果。圖16、17分別為A、B兩種夾層結構內能隨下面板夾角變化直方圖，由圖像可知兩種夾層結構吸能均會隨下面板夾角減小而不斷減小，同時A型夾層結構吸能要優于B型，這跟結構剛度有關，A型夾層整體剛度較小，在受到爆炸沖擊波作用時夾芯和下面板容易發生變形，B型夾層由于整體剛度較大，夾芯整體變形較小，因此吸能較少。在整個爆炸過程中兩種夾層結構的夾芯吸能最多，下面板次之，上面板吸能最少。但是A、B兩種夾層結構各部分吸能比率還是有明顯區別的，A型夾層結構在爆炸過程中夾芯和下面板吸收了最大部分的能量，B型夾層結構上、下面板吸能在下面板夾角較大時差別不大，在夾角較小時，兩者的吸能比率開始具有差異。了解夾層結構各部分在爆炸過程中吸能情況，可以為其后續的抗爆炸優化設計提供方向和指導。

圖16 A類夾層結構內能隨下面板夾角變化圖

圖17 B類夾層結構內能隨下面板夾角變化圖

3 結論

本文創新構型了一種變截面波紋夾層結構，利用理論分析與數值模擬研究了變截面波紋夾層結構下面板角度和波紋夾芯放置方式對該種夾層結構抗爆炸沖擊能力的影響，得出以下結論：

（1）文中所創新構型的變截面梯度波紋夾層結構與傳統波紋夾層結構相比具有更優越的抗爆炸沖擊性能，在一定范圍內變截面夾層結構下面板夾角越小抗爆炸沖擊能力越強；

（2）波紋夾芯的放置方式對夾層結構的抗爆炸沖擊能力有很大影響，將波紋夾芯橫向放置可以最大程度地降低夾層結構上面板的變形、沖擊速度和加速度，具有更好的吸能緩沖能力，將波紋夾芯縱向放置，其緩沖能力稍弱，但可以降低夾層結構的整體變形，使夾層結構能承受住更大的爆炸沖擊載荷，并提高多次抗打擊能力；

（3）爆炸過程中該變截面夾層結構初始動能和夾層結構的吸能能力會隨下面板夾角的減小而降低，將波紋夾芯橫向放置時，夾層結構具有更優秀的吸能能力，但這種吸能能力的提升建立在波紋夾芯的大面積坍塌和下面板大位移變形之上。將波紋夾芯縱向放置吸能較少，但整體變形較小，在下面板夾角較小時，夾層結構依然能保持完好。波紋夾芯的放置方式會影響夾層結構各部分的吸能比率，波紋夾芯橫向放置時，夾芯和下面板吸收了最大部分的能量，縱向放置時，夾層結構上、下面板吸能差異不大。

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Research on the Anti-Blast Performance of a New Kind of Variable Cross-Section Corrugated Sandwich Structure

LI Xiang1,2，LI Rui2，XU Xingxing2，LI Lin3

(1.Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2.College of Mechanical and Power Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 3.Hubei Lidi Machine Tool Co.,Ltd., Yichang 443002, China )

In order to improve the sandwich structure’s anti-blast performance, a variable-section corrugated sandwich structure was proposed in this paper. The top panel of this new corrugated sandwich structure is flat, but the bottom panel is in V-shape change. The influence of bottom panel angle and core placement to this sandwich structure’s anti-blast performance were studied in both theory and finite element simulation. It is found that the new variable cross-section corrugated sandwich structure has superior anti-blast performance to traditional corrugated sandwich structure, and its anti-blast performance will continuously increase with the decrease of the V-shape angle. Longitudinal core placement will help to reduce the overall deformation of the sandwich structure, and lateral placement have better energy absorption capacity. This study is expected to provide basis and reference for improving the corrugated sandwich structure’s anti-blast performance.

variable-section corrugated sandwich structure；anti-blast performance；bottom panel angle；core placement；finite element simulation

TB333

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.002

1006－0316 (2020) 10－0006－10

2020－04－29

國家自然科學基金青年科學基金項目（51305232）；湖北省教育廳科學技術研究計劃重點項目（D20181206）；三峽大學研究生課程建設項目（SDKC201906）；三峽大學碩士學位論文培優基金（2020SSPY034）

李響（1979－），男，湖北黃梅人，博士，副教授、碩士生導師，主要研究方向為輕量化技術、結構優化設計、數值模擬技術、結構強度與可靠性，E-mail：lixiangcfy@ctgu.edu.cn。