蜂窩夾芯板的抗高速沖擊性能研究

王曉強 胡方靚 徐雙喜

(海裝武漢局駐武漢地區第二軍事代表室1) 武漢 430064) (中國直升機設計研究所2) 景德鎮 333001)(武漢理工大學高性能艦船技術教育部重點實驗室3) 武漢 430063) (武漢理工大學交通學院4) 武漢 430063)

0 引 言

夾層結構由上下面板和芯層粘合而成，由于其具有輕質、比吸能效果好、抗侵徹性能好等優點，近年來在航空和船舶制造等領域得到了廣泛的應用[1]，其中蜂窩夾層結構因為成型容易而較為常見，美國海軍已經將蜂窩板應用于舷側艙壁防護結構[2].并且由于夾層結構會因為自身幾何參數的變動而表現出不同的力學性能，所以引起了國內外很多學者的關注.

目前在準靜態壓痕和低速沖擊載荷條件下，對夾層板的力學行為進行了廣泛的研究.Shitta[3]對鋁制蜂窩夾層板進行了一系列準靜態和低速沖擊試驗，對比了夾層板和裸蜂窩芯樣品的結果，發現面板使得整個夾層結構的抗沖擊性有明顯的提高.Yahaya等[4]研究了不同鋁蜂窩芯、空氣夾層板和等效質量的單板的抗沖擊性能，發現在一定的沖擊范圍內，蜂窩夾芯板的撓度變形小于其他兩種靶板.潘晉等[5]通過數值仿真研究發現同等條件下鋁合金波紋夾層板具有良好的耐撞性，并分析了夾心層形式、撞擊速度等對耐撞性的影響.李春鵬等[6]研究了芯層排列順序對抗沖擊性能的影響.Sun等[7-8]系統地研究了幾何參數(如面板厚度、芯高和胞元尺寸)對低速沖擊阻力的影響.

相對而言，夾層結構的高速沖擊性能還有待于充分了解，而艦船在海戰中往往受到反艦導彈造成的高速破片沖擊[9].文中利用數值仿真模擬了破片侵徹鋁制蜂窩夾芯板的過程，分析了前后面板、蜂窩芯層的能量吸收情況，對比了各部分在抗沖擊時起到的作用，并進一步研究了面板厚度、芯層高度、蜂窩胞元壁厚和邊長對夾芯板抗沖擊性能的影響，旨在得到蜂窩夾芯板抗高速沖擊性能與幾何參數之間的關系.

1 有限元模型的建立

為了研究高速彈體沖擊下蜂窩夾芯板的動態響應，采用ABAQUS有限元軟件對文獻[10]中的試驗進行了數值仿真，試驗裝置見圖1.整個夾芯板的尺寸為150 mm×150 mm×15 mm，通過螺栓將夾芯板四周進行剛性固定.前后面板厚度都為1 mm，均采用5052-O鋁制成，芯層為邊長4 mm的正六邊形蜂窩，材料為3003-H18鋁，采用展開法[11]制作而成，單層厚度為0.07 mm，見圖2.實驗中使用的破片為直徑12 mm、質量7.05 g的球型鋼制破片.有限元模型由夾芯板和破片組成，由于在侵徹過程中彈丸的變形忽略不計，所以在數值仿真中將破片設置為剛體.

圖1 試驗裝置

圖2 夾芯板幾何結構

整個模型結構均采用顯式殼單元S4R建立，為保證計算精度和提高計算效率，在夾芯板中心沖擊(45 mm×45 mm的正方形區域)進行了局部細化，見圖3，細化后的網格尺寸為0.5 mm×0.5 mm，其余部分的網格尺寸為2 mm.根據文獻中對實驗的描述，將夾層板的四周設置成剛性固定，前、后面板和蜂窩芯層之間采用“Tie”連接，整個模型采用通用接觸用來模擬碰撞過程中結構的自接觸和不同部件之間可能的相互作用，其中法向定義為“硬”接觸，切向摩擦系數設置為0.3.

圖3 網格劃分和邊界條件

有限元模型中，面板和芯層的鋁合金應用到的塑性模型和失效模型選用Johnson-Cook本構方程.材料參數的值取自文獻[12]，見表1.

表1 材料屬性

2 數值計算方法的驗證

試驗中面板厚度T=1.0 mm、芯層高度H=15 mm、芯層邊長L=4 mm、芯層厚度t=0.07 mm，為方便描述，用T1.0-H15-L4-t0.07板表示該夾芯板.由于試驗中T1.0-H15-L4-t0.07板在三種沖擊速度下分別出現了前板出現凹痕、僅貫穿前板和完全貫穿夾芯板三種毀壞狀態.所以選用這三種工況能更好的驗證所建立的有限元模型能否正確模擬夾芯板的動態響應.

表2為仿真和實驗結果的剩余速度對比.由表2可知，數值計算模擬出與試驗測得基本接近的剩余速度，當破片出現回彈時仿真結果和實驗結果出現了一定的誤差，這可能是由于試驗中的鋁合金板的面板和芯層之間實際上有一層粘合層，當速度達到172.4 m/s時仿真和試驗測得的結果差異非常小，說明當速度增大后，粘合層對于結果的影響幾乎可以忽略.而當入射速度為138 m/s時試驗結果為嵌入夾芯板而仿真結果則出現回彈的原因是由于138 m/s的入射速度接近該夾芯板的彈道極限速度，此時試驗與仿真中的邊界條件的差異或許會造成試驗和仿真之間的誤差.

表2 破片剩余速度對比

圖4為夾芯板受破片沖擊時數值仿真和試驗的面板破壞變形對比圖.由圖4可知:入射速度為76.2 m/s時僅在前面板發現凹痕，后面板幾乎看不出變形，這在仿真中也能看出后面板的最大變形處撓度僅1 mm；當入射速度為138 m/s時，前面板被穿透，后面板留下局部凹坑，破片嵌入在夾芯板中，在仿真中同樣也是后板出現裂紋；當速度增加到172.4 m/s時，兩個面板完全被貫穿.從面板的破壞模式可以看出數值仿真可以較好的模擬各種破壞模式下破片對面板的毀傷結果.

圖4 前后面板對比

以172.4 m/s工況為例，通過仿真和試驗得到破片沖擊位置的截面對比見圖5.由圖5可知:數值仿真能比較準確的模擬蜂窩芯層的屈曲失效以及面板和芯層之間的脫粘現象.綜合剩余速度以及夾層板的破壞情況，可以說明數值仿真的方法可行，并在接下來進一步利用有限元仿真研究夾芯板的抗沖擊性能.

圖5 夾芯板內部破壞對比圖

3 能量吸收特性

夾芯板各組成部分對彈丸沖擊能量吸收的貢獻不同，因此通過數值仿真分析了夾芯板各組成部分對彈丸沖擊能量吸收的變化過程.圖6為當分別受到76.2、138.0和172.4 m/s的沖擊速度(分別對應于圖4的三種穿透模式)時夾芯板在三種破壞模式下各部分能量吸收情況.其中，夾芯板受到的總能量為破片的初始動能，根據能量守恒定律，在侵徹過程中破片的動能和夾芯板內能相加得到的總能量始終不變，從中可以表明破片的動能在沖擊時逐漸轉化為夾芯板的內能，并且夾芯板的內能由前面板、蜂窩芯層和后面板的內能組成.

圖6 夾芯板能量吸收時程曲線

對比能量時程曲線和破壞情況可得，夾芯板各部件主要通過自身的塑性變形來吸能，當速度為76.2 m/s時，由于后板變形情況十分微弱，所以吸收的能量可以忽略不計；當速度為138以及176.2 m/s時，可以看出能量吸收呈現三個階段，第一階段為破片剛接觸前板時，由于前面板的阻力對能量吸收貢獻最大，彈丸的動能迅速下降.在這一階段，蜂窩單元的屈曲吸收的能量較小.在第二階段，前面板的能量吸收達到一個平臺，因為它已經被彈丸穿孔.由于蜂窩芯提供的阻力相對較弱，彈丸動能的下降斜率減慢.在這一階段，能量吸收主要歸因于彈丸穿透蜂窩芯時蜂窩芯的破碎.進入第三階段時，彈丸與后面板接觸，后面板開始吸收更多的能量，彈丸動能下降的斜率比第二階段陡.當速度達到176.2 m/s時，破片完全擊穿，此時后板吸收的能量(30.95 J)同前板(30.35 J)幾乎相同.當破片穿出后，各部分吸收的能量也隨之趨于穩定.

利用ABAQUS對T1.0-H15-L4-t0.07夾芯板增加了一系列速度的工況，夾芯板各組件能量吸收和吸收率隨沖擊能量增加的變化趨勢見圖7.由圖7可知，前面板和芯層的吸收率隨著沖擊能量的增加而減少，而后面板在破片未完全擊穿前隨著動能的增加而增加，當沖擊能量為104.77 J時，后面板吸能(30.96 J)和吸能率(29.55%)均超過了前面板，隨后吸能率也開始下降，說明了隨著夾芯板被擊穿后各部分的吸能均達到了極限，再增加沖擊能量并不能增加各組件對動能的吸收.

圖7 夾芯板各組件能量吸收和能量吸收率

4 蜂窩夾芯板抗沖擊性能參數研究

4.1 幾何參數對彈道極限速度的影響

彈道極限速度通常用于測量夾層板的穿孔阻力，它表示特定彈丸完全穿孔目標所需的最小沖擊速度，可作為夾芯板抗侵徹性能的評價標準.通過數值仿真計算了夾芯板的彈道極限速度，并以幾何參數分組對結果進行了對比，見圖8.由圖8a)可知，彈道極限速度機會隨面板厚度呈線性增加關系.而芯層高度對彈道極限速度的影響很小，芯層高度主要影響整個夾芯板的抗彎強度，提高芯層高度能有效提高夾芯板的彎曲剛度，但是在高速侵徹下，夾芯板受到的破壞是高度局部化的.由圖8b)可知，直到芯層高度增加到20 mm時，彈道極限速度才有稍許的提高.因此，增加芯層高度并不能有效地提高夾芯板的抗侵徹性能.

圖8 蜂窩夾芯板的彈道極限速度

由圖8c)～d)可知，增加胞元壁厚以及減小胞元尺寸均會增加蜂窩夾芯板的極限速度.當增加胞元壁厚時，破片穿透蜂窩需要消耗更多的動能；而當減小胞元尺寸時，意味著破片在侵徹過程中需要粉碎更多的蜂窩芯層，因此在一定程度上均能提高夾芯板的抗侵徹性能.但與此同時，它們都會增加芯層剛度，有研究表明，更剛性的芯層會將前面板的變形限制在較小的區域內，從而導致較高的局部應變和較低的穿孔阻力，這不利于夾芯板抵御破片的高速侵徹[13].并且在一定的動態載荷范圍內，蜂窩夾芯板的抗沖擊性能優于等質量的單層實心板.

4.2 幾何參數對能量吸收的影響

在數值仿真中設置了250 m/s速度以保證所有類型夾芯板均被完全擊穿，得到各個幾何參數下能量吸收情況見圖9.由圖9可知，面板在整個吸能過程中占據著十分重要的地位，隨著面板厚度的增加，整個夾芯板以及各部分吸收能量均增加，雖然芯層的參數沒有變化，但是由于面板厚度的增加，使得破片穿透面板的難度增加，此時沖擊能量可以隨著面板變形范圍的擴大而傳遞至更多的芯層，所以造成芯層吸收的能量也有所增加.而在面板不變的情況下，破片侵徹時參與抵御沖擊的蜂窩數量較少，同時芯層材料的強度低，質量輕，所以蜂窩芯層的幾何參數對蜂窩夾芯板吸收能量的影響效果甚微.

另一方面，由于整個模型的質量也隨之增加，面板和夾芯板的SEA隨著厚度增加到一定峰值后開始下降，由圖9b)可知，面板厚度為1.2 mm時，面板的吸能效率最高，此時SEA=453.59 J/kg；由圖9c)可知，面板厚度為1.6 mm時，整個夾芯板的吸能效率最高，此時SEA=474.33 J/kg.

圖9 夾芯板能量吸收情況

4.3 幾何參數對比吸能的影響

在夾層結構工程設計中，輕量化也是其中一個主要目標.所以在評價結構的抗沖擊性能時，考慮結構質量在內的比吸能也是重要的指標之一.圖10為各個幾何參數對夾芯板比吸能的影響.雖然增加面板厚度能顯著的提高夾芯板的抗侵徹性能，但同時也會快速地增加結構自身的質量，所以當面板厚度增加到一定程度后，整個結構的比吸能會有所下降，由圖10a)可知，本次研究的面板厚度為1.6 mm時，夾芯板的比吸能最大.改變芯層的參數雖然對質量和能浪吸收的影響都較小，但是從圖10b)～d)可知，當芯層高度在12.5 mm、胞元厚度在0.06 mm、邊長在5.0 mm時分別對應的夾芯板比吸能最高.

圖10 夾芯板比吸能情況

綜上所述，在蜂窩夾芯板中，面板作為抵抗破片的主要因素，增加面板厚度可以有效提升結構的抗侵徹能力，但是一昧地增加面板厚度也會增加整體結構的質量，降低其吸收能量的效率.芯層由于自身質量輕，在吸收破片動能中作用較小，但是芯層剛度對整個夾芯板的抗侵徹作用也有一定的影響，蜂窩胞元壁厚的增加和邊長的減少都會造成芯層剛度的增加，使得破片在穿透蜂窩芯層時的需要耗費更多的能量，所以夾芯板的彈道極限速度和破片侵徹后的剩余速度有所提高，然而從吸能效率考慮，使用強度更高的芯層也會降低夾芯板的比吸能.

5 結 論

1)當破片高速撞擊鋁蜂窩夾芯板時，整個模型的沖擊破壞模式主要包括前面板破裂、蜂窩芯層的屈曲和壓碎、后面板破裂并與芯層部分脫粘.

2)在整個侵徹過程中，破片的動能逐漸轉化為蜂窩夾芯板各個構件的內能，在破片完全貫穿夾芯板時，前后面板為主要吸能部分，吸收的能量接近，并且均大于芯層吸能.

3)面板是抵抗破片沖擊的最主要構件，增加面板的厚度可以顯著地提高夾芯板的抗侵徹性能，但增加到一定厚度后，會降低整個夾芯板的吸能效率.

4)芯層作為夾芯板的重要構件之一，增加蜂窩胞元壁厚和減小胞元邊長均可以提高芯層的剛度，使得夾芯板的彈道極限速度增加，而增加芯層高度對夾芯板的抗侵徹能力影響不大.

5)在本次數值計算中，面板厚度為1.6 mm、蜂窩胞元厚度為0.06 mm、胞元邊長為5.0 mm、芯層高度為12.5 mm時分別對應的夾芯板比能量吸收率最高.