船用蜂窩金屬夾芯板重復沖擊實驗研究

李應剛，張 雨，朱 凌，郭開嶺，王緯波

（1.武漢理工大學高性能艦船技術教育部重點實驗室，武漢430063；2.西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室，西安710049；3.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫214082）

0 引 言

高技術船舶與海洋工程裝備在航行與作業過程中可能遭受重復沖擊載荷作用，如艦載機著落重復沖擊載荷、極地浮冰反復碰撞載荷等，引起結構變形與累積損傷，最終導致結構出現破壞，給船舶與海洋工程結構安全帶來嚴重的威脅和極大的挑戰。

Shen 和Jones[1]基于理想剛塑性假設，研究了梁、圓板和方板在重復脈沖載荷下結構響應特點，并獲得了相應的計算梁和板撓度的理論公式；Zhu 和Faulkner[2]對四周剛固矩形板進行了剛性楔形體重復撞擊模型實驗，基于理想彈塑性材料模型提出了矩形板遭受剛性楔形沖擊時的最終撓度計算公式；Huang 等[3]進行了不同能量的質量塊撞擊固支圓板和方板的重復沖擊實驗，實驗中發現，隨著塑性變形的增大，板的彈性能增大，導致板所能吸收的塑性變形能減小；Jones[4]采用理想剛塑性模型分析了質量塊重復沖擊作用下板的變形情況，并對重復沖擊問題進行了總結；Zhu等[5]基于理想剛塑性理論，研究了船體加筋板遭受剛性重復沖擊的結構響應，最終提出了計算任意位置重復沖擊載荷作用下的結構最終撓度計算公式。

綜上所述，國內外學者針對船舶與海洋工程結構在重復沖擊載荷下的動態響應開展了大量深入研究，取得了顯著成果。然而，當前研究對象主要集中于船體梁、船體板和加筋板等簡單結構。蜂窩金屬夾芯結構是一種物理功能與結構一體化的新型、輕質高強材料/結構，具有高比強度、高比剛度、高韌性、高能量吸收等優良的力學性能，廣泛應用于船舶與海洋工程結構輕量化與碰撞沖擊防護領域[6-10]。然而，由于蜂窩金屬夾芯結構具有結構形式、變形模式以及吸能機制的復雜性，其在重復沖擊載荷下的動態變形與累積損傷及能量吸收內在本質和機理尚不明確。本文采用INSTRON CEAST 9350落錘沖擊試驗機進行船用蜂窩金屬夾芯板重復沖擊實驗，研究其重復沖擊動態響應，揭示其動態變形累積與能量吸收機理，為其在艦船結構輕量化與碰撞沖擊防護領域的應用提供依據。

1 重復沖擊實驗方案

本文加工制備的方形蜂窩金屬夾芯板由上下面板和蜂窩芯層組成，其中上下面板材料選用低碳鋼，芯層選用鋁制六邊形蜂窩，其中低碳鋼面板與蜂窩芯層采用環氧樹脂粘接連接。蜂窩金屬夾芯板結構尺寸為250 mm×250 mm，由于實驗過程需要達到固支邊界條件，夾芯板四邊開孔并通過螺栓與夾具相連，實驗中蜂窩金屬夾芯板有效尺寸為180 mm×180 mm。實驗中鋁制六邊形蜂窩芯層厚度為20 mm，蜂窩邊長為4 mm，壁厚為0.07 mm。利用萬能實驗機，進行了低碳鋼面板準靜態拉伸實驗和蜂窩鋁芯層準靜態壓縮實驗，得到低碳鋼面板和蜂窩鋁夾芯的材料屬性如圖1所示。

圖1 蜂窩金屬夾芯板結構的材料力學特性Fig.1 Material mechanical properties of honeycomb sandwich plates

低碳鋼面板準靜態拉伸試件尺寸按照GB/T228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》確定。蜂窩鋁壓縮試樣尺寸為50 mm×50 mm×40 mm，試樣高度大于7倍的蜂窩孔徑，故可忽略尺寸影響。船用蜂窩金屬夾芯板重復沖擊實驗工況及幾何條件如表1所示，實驗過程中考慮了50 J、70 J和100 J三種重復沖擊能量，同時在保證質量相同的前提下考慮了三種面板厚度分配方式。

表1 重復沖擊實驗工況Tab.1 Experimental conditions of the repeated impact tests

蜂窩金屬夾芯板重復沖擊實驗采用武漢理工大學沖擊與流固耦合實驗室的INSTRON CEAST 9350落錘沖擊實驗機進行，如圖2（a）所示。INSTRON CEAST 9350沖擊實驗機為落地式實驗系統，沖擊速度為0.75～24 m/s，最大沖擊質量為70 kg，設計的沖擊能量為0.59～1 800 J。實驗中采用自行設計加工的夾具系統實現蜂窩金屬夾芯板四周固支邊界條件。夾具系統由上夾具和下夾具組成，上下夾具及蜂窩金屬夾芯板之間通過螺栓連接，夾具下方與基座相連，如圖2（b）所示。實驗過程中采用半球形沖頭，直徑為40 mm，通過螺紋與沖擊桿相連。沖頭內置力傳感器，可以監測在沖擊過程中沖頭受到的瞬態沖擊力，實驗測試數據經過DAS 64K系統進行采集，并在PC機上的CEASTVIEW 軟件中分析和處理，最終得到加速度時程曲線、速度時程曲線、位移時程曲線、能量時程曲線等動態沖擊響應數據。實驗開始前對蜂窩金屬夾芯板的上下面板用白色記號筆畫格子線，對中間變形較大區域進行加密，方便觀察沖擊變形。單次沖擊實驗結束后，取下蜂窩金屬夾芯板及其固定夾具系統，使用水平豎直兩把刻度尺組成的滑動測量尺以及測量精度為0.01 mm 的游標卡尺測量蜂窩金屬夾芯板的最終撓度，每次測量重復三次取平均值，以保證最終變形測試結果的可靠性。

圖2 蜂窩金屬夾芯板重復沖擊實驗裝置Fig.2 Repeated impact test apparatus of honeycomb sandwich plates

2 重復沖擊實驗結果

為了研究重復沖擊載荷下蜂窩金屬夾芯板結構動態響應，采用INSTRON CEAST 9350 落錘沖擊實驗機進行了重復沖擊實驗，選取典型實驗工況T1E3條件下蜂窩金屬夾芯板結構從第一次到第十次沖擊載荷作用下塑性變形累積過程進行分析，重復沖擊實驗結果如圖3所示。從圖中可以發現，重復沖擊載荷作用下蜂窩金屬夾芯板界處的直線沒有出現彎曲，說明重復沖擊過程中所設計的夾具可以近似滿足固支邊界條件。第一次沖擊載荷作用下，蜂窩金屬夾芯板結構上面板產生明顯局部凹陷，主要表現為局部凹陷與整體彎曲的耦合變形模態，下面板主要表現為整體彎曲變形模態，上面板中點彎曲撓度遠遠大于下面板中點彎曲撓度。隨著重復沖擊次數增加，蜂窩金屬夾芯板結構上下面板的彎曲變形逐漸增大，上面板出現裂紋損傷直至破壞，蜂窩芯層薄壁結構逐漸達到密實化，下面板變形模態則經歷了從整體彎曲到整體彎曲與局部凹陷的耦合模式的轉變過程。

圖3 蜂窩金屬夾芯板重復沖擊變形累積過程Fig.3 Deformation accumulation processes of HSP under repeated impacts

為了深入分析蜂窩金屬夾芯板沖擊動態響應特性，采用力傳感器配合DAS 64K 數據采集系統分別得到典型實驗工況T1E3條件下第一次動態沖擊下蜂窩金屬夾芯板結構的載荷時程曲線、速度時程曲線、位移時程曲線及載荷-位移曲線如圖4所示。

圖4 蜂窩金屬夾芯板單次沖擊動態響應Fig.4 Dynamic responses of HSP under single impact

從圖4（a）中可以看到，蜂窩金屬夾芯板第一次動態沖擊載荷時程曲線近似為半波正弦脈沖，曲線中存在較多小幅度波動，主要是由于蜂窩芯層薄壁結構在沖擊過程中產生屈曲變形引起。圖4（b）表明蜂窩金屬夾芯板結構在第一次動態沖擊過程中沖擊速度由初始最大值逐漸減小為零，最后沖頭以1m/s 速度反彈。從圖4（c）和（d）可以發現，蜂窩金屬夾芯板結構在沖擊載荷作用下上面板中點塑性變形逐漸增大，最大變形達到14.9 mm。隨著動態沖擊過程結束，由于夾芯結構彈性效應，結構出現回彈，夾芯結構永久塑性變形為13.5 mm。沖擊能量最終轉化為沖頭反彈動能和蜂窩金屬夾芯板結構塑性變形能，蜂窩金屬夾芯板第1次動態沖擊能量吸收率達到96%，表明蜂窩金屬夾芯板結構具有優良的抗沖擊與能量吸收性能。

為了進一步闡明蜂窩金屬夾芯板重復沖擊動態響應與能量吸收演化機制，我們通過實驗分別得到典型實驗工況T1E3條件下蜂窩金屬夾芯板第1次到第10次沖擊載荷作用下載荷時程曲線、位移時程曲線、載荷-位移加卸載曲線以及上下面板彎曲變形與蜂窩芯層壓縮變形，如圖5所示。由圖可知，隨著重復沖擊次數的增加，沖擊力峰值逐漸增大，沖擊接觸時間減小，加載曲線斜率逐漸增大，蜂窩金屬夾芯板上下面板中點最大撓度和最終撓度逐漸累積增大。分析原因是由于重復沖擊載荷作用下蜂窩金屬夾芯板結構漸進強化，結構整體抗彎剛度增大。另一方面，從圖5（c）和（d）可以發現，蜂窩金屬夾芯板結構的重復沖擊載荷-位移曲線和撓度-沖擊次數曲線明顯存在兩個階段。當沖擊次數低于7次時，蜂窩金屬夾芯板重復沖擊力峰值呈線性增大，上下面板彎曲撓度和蜂窩芯層壓縮量呈線性增長，由于局部凹陷的產生，上面板的變形增長速率明顯高于下面板，上面板和芯層吸收了大部分能量，下面板遭受的沖擊能量較小，所產生的變形較小。當沖擊次數達到7次以后，沖擊力峰值出現了跳躍性上升后繼續呈線性趨勢增大，上下面板彎曲撓度仍然呈線性累積，且上下面板彎曲變形增長速率基本相同，然而蜂窩芯層壓縮量基本保持不變。分析原因是由于重復沖擊載荷作用下蜂窩芯層薄壁結構壓縮變形逐漸達到密實化，上下面板主要以局部凹陷和整體彎曲的耦合變形模態承受沖擊，蜂窩芯層基本不再起到抗沖擊與能量吸收作用。

圖5 蜂窩金屬夾芯板重復沖擊動態響應Fig.5 Dynamic responses of HSP under repeated impacts

3 參數影響研究

3.1 沖擊能量的影響

為了研究沖擊能量對蜂窩金屬夾芯板重復沖擊動態響應的影響，我們開展T1E1、T1E2和T1E3工況重復沖擊實驗，分別得到沖擊能量為50 J、70 J、100 J時蜂窩金屬夾芯板第1次到第10次沖擊載荷作用下結構動態響應實驗結果如圖6 所示。由圖可知，三種重復沖擊能量作用下蜂窩金屬夾芯板的上下面板彎曲撓度以及蜂窩芯層壓縮量逐漸增加，沖擊能量吸收率逐漸下降。這是由于重復沖擊載荷作用下蜂窩金屬夾芯板結構漸進強化，蜂窩芯層漸進壓實，結構整體抗彎剛度增大，沖頭沖擊反彈速度逐漸增大，反彈動能升高，塑性變形吸能下降，導致結構整體能量吸收率下降。同樣次數沖擊載荷作用下，隨著重復沖擊能量增大，蜂窩金屬夾芯板上下面板的彎曲撓度以及蜂窩芯層壓縮量逐漸增加，塑性變形能量吸收增大，沖擊能量吸收率增大，10次重復沖擊載荷作用下只有在100 J能量時蜂窩芯層達到壓實狀態。

圖6 沖擊能量對蜂窩金屬夾芯板重復沖擊動態響應影響Fig.6 Effect of impact energies on the repeated impact responses of HSPs

3.2 面板厚度分配的影響

為了實現蜂窩金屬夾芯板結構抗重復沖擊性能與能量吸收性能優化，開展了面板厚度分配對蜂窩金屬夾芯板動態響應影響規律的實驗研究，實驗過程中在保證質量相同的條件下考慮了T1E1、T2E1和T3E1三種面板厚度分配方式。T1E1、T2E1和T3E1工況條件下蜂窩金屬夾芯板重復沖擊動態變形與能量吸收特性實驗結果對比如圖7 所示。由圖可知，重復沖擊載荷作用下三種面板厚度分配方式的蜂窩金屬夾芯板的上下面板彎曲撓度以及蜂窩芯層壓縮量逐漸增加，上下面板彎曲變形量和蜂窩芯層壓縮變形量的增長速率下降，沖擊能量吸收率逐漸下降。分析原因是由于重復沖擊載荷作用下蜂窩金屬夾芯板結構整體抗彎剛度增大，重復沖擊累積變形增長率減小。另一方面，相同沖擊能量和沖擊次數條件下，隨著蜂窩金屬夾芯板上面板厚度增大以及下面板厚度減小，上面板產生的彎曲變形減小，下面板產生的彎曲變形增大，蜂窩芯層的壓縮量降低，蜂窩金屬夾芯板主要以整體彎曲變形吸能為主，面板局部凹陷與蜂窩芯層薄壁結構屈曲變形吸能作用降低，蜂窩金屬夾芯板整體能量吸收率相對下降。由此可知，相同質量條件下提高蜂窩金屬夾芯板上面板厚度可以有效提升抗重復沖擊性能，降低上面板厚度則可以提升結構的動態沖擊能量吸收性能。

圖7 面板厚度分配對蜂窩金屬夾芯板重復沖擊動態響應影響Fig.7 Effect of plate thickness distributions on the repeated impact responses of HSPs

4 結 論

本文采用落錘沖擊試驗機開展了船用蜂窩金屬夾芯板重復沖擊實驗，研究了其重復沖擊動態響應與能量吸收特性，分析了沖擊能量、面板厚度分配對蜂窩金屬夾芯板重復沖擊動態響應的影響規律。實驗研究結果表明：重復沖擊載荷作用下，蜂窩金屬夾芯板結構上下面板彎曲變形逐漸累積增大，蜂窩芯層薄壁結構逐漸達到密實化，結構整體抗彎剛度增大，導致結構整體能量吸收率下降；上面板主要表現為局部凹陷與整體彎曲的耦合變形模態，下面板變形模態經歷了從整體彎曲到整體彎曲與局部凹陷的耦合模式的轉變過程；通過調節上下面板厚度分配可以有效改善蜂窩金屬夾芯板結構重復沖擊動態變形累積及能量吸收性能。