一類基于表面納米化技術的新型填充式薄壁吸能結構設計

周若璞 王偉 徐明朗 仝真真 張俊杰 周震寰

摘要：基于局部表面納米化技術，本文提出一種適用于重型裝備空投的新型緩沖吸能結構設計。與傳統吸能結構設計方式不同，本文利用納米化技術對金屬薄壁結構進行局部改性，從而誘導其產生吸能效果最佳的變形模式，該設計方法具有無須改變結構形狀、無附加質量等顯著優點。首先，介紹了泡沫鋁填充式薄壁金屬方管的設計流程，并制作了相關試件。其次，基于有限元仿真和試驗測試對局部表面納米化布局進行了優化設計。研究發現，在結構幾何尺寸一定的情況下，環向反對稱布局方案為最佳設計，此時吸能結構呈現出穩定的漸進層疊的變形模式，形成的褶皺較其他方案更多。最后，進一步研究了表面納米化對提升該類吸能結構吸能性能的作用機理，并分析了所設計的緩沖平臺的吸能效果。結果表明，局部表面納米化布局不僅提高了薄壁結構自身的吸能性能，同時增強了薄壁結構與泡沫鋁之間的相互作用，從而大幅提高整體結構的吸能性能，并且該設計在多柱排列使用時，吸能效果得到進一步加強。

關鍵詞：局部表面納米化；泡沫鋁；薄壁方管；準靜態壓縮；吸能；有限單元法

中圖分類號：O313.4文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.05.012

空降作戰是現代戰爭中一種十分重要的作戰方式。隨著現代科技的飛速發展，重型裝備（簡稱重裝）空投成為空降部隊補充戰力的首要選擇。重裝空投是指將重型裝備（如裝甲車、自行火炮等）通過大型運輸機投放到預定地點的過程。重型武器的安全空投問題是當前該領域亟待解決的關鍵科學問題之一[1-2]。吸能裝置是空投平臺緩沖系統中的核心部分，其能量吸收性能關系到緩沖系統的整體安全效果。現有研究表明，經過合理設計的泡沫鋁填充式薄壁管件具有可控的變形模式和平穩的吸能曲線，是優異的緩沖吸能結構[3-4]。

目前，絕大多數重型裝備的空投緩沖系統均采用組合式緩沖設計，通過降落傘、緩沖臺等多種方法組合，確保空投的重型裝備不受破壞。其中，緩沖臺上部為鋼制裝載平臺，用于搭載裝備，下部排列多個泡沫鋁填充式吸能柱，用于緩沖吸能（見圖1）[5]。因此，對吸能柱的吸能性能優化尤為重要。現階段，國內外學者已經針對泡沫鋁填充式薄壁管件的吸能效果和機理展開了全面研究。Hanssen等[6]研究了薄壁管件與泡沫鋁之間的相互作用，發現該作用使整體吸能效果遠超兩者線性疊加效果。李思超等[7]進一步指出，泡沫鋁與薄壁管之間的填充間隙越小，二者之間的相互作用就越顯著。Duarte等[8]研究了泡沫鋁填充式薄壁管的變形特征，發現泡沫鋁通過抑制管壁向內屈曲形成褶皺，并使吸能過程趨于穩定。Taherishargh等[9]通過不同壁厚的填充管件的準靜態壓縮試驗研究發現泡沫鋁的填充對壁厚較薄的管件影響更顯著。王巍等[10]分析了泡沫鋁孔隙率、高徑比、徑厚比、界面結合狀態和復合管層厚比等材料和結構參數對整體結構吸能特性的影響。朱翔等[11]研究了泡沫鋁填充薄壁多胞構件和單胞構件軸向吸能性能。桂良進等[12]建立了吸能結構幾何參數、相對密度及屈服極限與比吸能的關系。蘇高峰等[13]發現開孔泡沫鋁的吸能效率和理想吸能效率的最大值在隨孔隙率變化的過程中存在峰值。李志斌等[14]研究了不同幾何截面的泡沫鋁填充薄壁夾芯管的變形模式和吸能性能。李志超等[15]通過試驗和模擬研究了誘導結構的類型和數量對泡沫鋁填充薄壁方管的軸向壓潰變形模式和能量吸收能力的影響。

由現有研究可知，對泡沫鋁填充裝置進行變形誘導可以有效提高其整體的吸能效果。表面納米化技術是近年來提出的一種新興的提高金屬材料性能的先進技術。通過合理的設計薄壁管件表面金屬納米化布局，可以有效控制其在軸向載荷作用下的變形模式。因此，本文將局部表面納米化技術引入泡沫鋁填充式薄壁金屬方管吸能結構設計中，通過設計薄壁方管的表面納米化布局，提出一種全新的泡沫鋁填充式方形薄壁吸能結構。

1重型裝備空投緩沖臺設計

本文采用泡沫鋁填充方形吸能柱為基本吸能單元，進行重型裝備空投緩沖臺的設計研究。緩沖臺通過吸能柱矩形陣列組合構成。泡沫鋁填充式薄壁金屬方管由方形金屬管和泡沫鋁組成。金屬方管采用局部表面納米化的304不銹鋼材料，其材料屬性見表1。泡沫鋁孔隙率為60%，各項參數指標由準靜態壓縮試驗測得[16]，其應力—應變曲線如圖2所示，對應的等效彈性模量E=2.445GPa，彈性極限σe= 3.546MPa，平臺應力σp=5.562MPa。

本文中的泡沫鋁填充不銹鋼方管加工過程如圖3所示。具體過程如下：（1）選取兩塊80mm×80mm×0.7mm（長×寬×厚）的304不銹鋼板，并對其進行局部納米化處理；（2）將納米化后的304不銹鋼板折彎90°，并沿兩側邊線焊接形成一個40mm×40mm×80mm的不銹鋼方管；（3）將泡沫鋁材料切割為40mm×40mm×75mm的立方體并將其內嵌于方形不銹鋼管內，并令二者底部平齊。

本文采用吸收總能量和峰值荷載作為管件吸能特性的評價指標。

據資料顯示[17]，重裝空投允許的著陸沖擊加速度為20～ 25g（g為重力加速度），本文取最小值20g計算。經計算，重型裝備作用在單個吸能柱上的最大質量可達300kg，根據牛頓第二定律Fm=m（a+g）計算得到峰值力許用值約為61.7kN，本文取峰值力許用值為62kN，即所設計的單個吸能柱峰值力荷載不得高于62kN，以確保著陸時重型裝備不受到過大的碰撞沖擊。

2數值模擬

2.1有限元模型

本文基于有限元軟件Abaqus實現泡沫鋁填充不銹鋼方管的單軸壓縮數值模擬。具體如下。（1）在Abaqus中建立填充方管的模型，幾何尺寸與上一節試件相同。方管采用殼模型，泡沫鋁采用三維實體模型。（2）對賦予模型材料屬性，其中局部表面納米化處理部分和未處理部分賦予不同的材料屬性（參數見表1），并進行相應裝配。方管采用4節點曲面薄殼或厚殼（S4R），泡沫鋁采用8節點線性六面體單元（C3D8R）。模型的裝配透視圖及縱向剖面圖如圖4所示，模型下端邊界約束所有自由度，上端邊界約束其橫向位移及轉角自由度。（3）建立一個方形剛體重錘模型，賦予其恒定速度1.5m/s進行單軸壓縮加載模擬。數值分析采用Abaqus/Explicit求解器進行非線性屈曲分析，繪制出位移—壓縮力曲線，經后處理得到屈曲吸能總能量及峰值力載荷，從而分析屈曲特性。

2.2試驗驗證

為驗證數值模擬的正確性，本文首先進行了泡沫鋁填充未納米化不銹鋼方管的試驗研究。不銹鋼方管和泡沫鋁塊如圖5（a）所示，其幾何尺寸和材料參數與第一節試件相同，組裝后的試件如圖5（b）所示。準靜態壓縮測試采用萬能電子試驗機進行，壓縮速率為6mm/min，試驗測得的吸收總能量及峰值力載荷見表2。

從試驗數據可知，仿真模擬結果與試驗數據吻合良好，最大誤差不超過1%。為了進一步驗證數值模擬正確性，圖6給出了不同階段的數值模擬和試驗觀測的結構變形圖。從變形圖可以看出，數值模擬預測的結構變形與試驗觀測結果基本一致，充分說明本文提出的數值模擬方法可以有效預測該類填充式薄壁金屬方管吸能結構的吸能參數和變形模式。

3局部納米化布局與吸能機理分析

3.1局部納米化布局設計

現有研究表明[18]，橫向條紋分布的表面納米化布局在吸能效果上要優于縱向表面納米化布局，并且環向反對稱條紋布局的吸能性能要明顯優于環向對稱條紋布局。因此，本文采用多條紋反對稱布局方案設計，三種反對稱條紋布局方案如圖7所示。

在Abaqus中，分別對采用上述三種方案的泡沫鋁填充不銹鋼方管進行單軸壓縮模擬，計算得到的吸能指標見表3。由表中數據可知，方案2對應的吸收總能量較表2中未納米化泡沫鋁填充不銹鋼方管提升35.163%，較方案1和3分別提升4.607%和7.153%；峰值力載荷也有小幅上升，但是仍處于安全設計范圍內。由此可知，方案2為最優局部納米化布局方案。為進一步說明方案2的優勢，圖8給出了三種方案所對應不同階段的數值模擬變形圖，同時圖8給出了方案2對應試件在單軸準靜態壓縮試驗中的變形圖。首先，通過對比圖8（b）和圖9可知，數值結果與試驗結果吻合良好，充分說明了仿真結果具有良好的正確性和可靠性。其次，從圖8中3種方案的變形圖可以看出，所有納米化填充方管均呈現出穩定的漸進層疊變形，而方案2對應試件出現褶皺最多，即塑性鉸最多、泡沫鋁和管壁相互作用最強，因此其吸能性能最佳。

3.2局部表面納米化對填充方管吸能的影響

為分析局部表面納米化對泡沫鋁填充不銹鋼方管的吸能影響，考慮如下5個試件（見圖10）：（1）試件1：普通薄壁方管；（2）試件2：填充式薄壁方管；（3）試件3：三條紋納米化薄壁方管；（4）試件4：填充式三條紋納米化方管；（5）試件5：泡沫鋁。

對各試件進行單軸準靜態壓縮數值模擬和試驗研究，對應的吸收總能量和峰值力載荷見表4。其中，未納米化試件與泡沫鋁的相互作用結果由試件2減去試件1和試件5獲得，納米化試件與泡沫鋁的相互作用結果由試件4減去試件3和試件5獲得。

首先，通過對比表中數據可知，仿真模擬與試驗結果吻合良好，吸收總能量誤差均可控制在10%以內，峰值力載荷的數值模擬值整體偏大，誤差主要由于數值模擬為了縮短步長，較試驗的準靜態加載提升了加載速度導致試件接觸反力增大。除此之外，試驗中試件加工時產生的缺陷與偏差和材料的不均勻性，都是隨機誤差的主要來源。

其次，現有研究表明[7， 19]，在填充式薄壁管件中，管件與泡沫鋁存在相互作用，從而使得裝置吸能大幅提升。對比數據可知，未納米化試件與泡沫鋁相互作用提升吸收總能量為0.292kJ，吸收總能量提升36%；方案2納米化試件與泡沫鋁相互作用提升吸收總能量為0.389kJ，吸收總能量提升37%，顯著提升了裝置吸能性能。該現象說明局部表面納米化可以增強方管與泡沫鋁的相互作用。為了更加直觀地展示相互作用的增強情況，圖11給出了未納米化和納米化試件的吸能曲線數值模擬結果，其中陰影部分即為相互作用所提升的部分。此外，從試件1和試件3的結果可以看出，局部表面納米化大幅提高了不銹鋼方管的吸收總能量，提高了59%。為進一步說明該現象，圖12給出了試件1～試件4的準靜態壓縮試驗壓潰變形。從圖中可以明顯看出，采用方案2的局部納米化泡沫鋁填充試件形成更多的褶皺，因此吸能效果顯著提升。

4基于納米化技術的空投緩沖臺吸能分析

基于以上分析，我們采用具有三條紋納米化布局的泡沫鋁填充式方形管件作為緩沖臺吸能柱的最終設計，并進一步對緩沖臺的吸能效果進行分析。以我國某型號裝甲車為例，其質量為10.5t，車長5.53m，車寬2.8m。因此，我們選用6m×3m（長×寬）的矩形緩沖臺進行模擬，吸能柱尺寸及加載條件與上文相同。由于整個緩沖臺計算量過大，本文僅選取由4個吸能柱組成的一個緩沖臺胞元進行計算，如圖13（a）所示。為對比說明本文提出緩沖臺設計的吸能效果，圖13（b）給出了未納米化的普通緩沖平臺胞元。

5結束語

本文將局部金屬表面納米化技術引入填充式薄壁吸能結構設計中，成功設計出一類全新的泡沫鋁填充式方形薄壁金屬吸能結構，并通過數值和試驗研究獲得了最優的局部表面納米化布局設計，揭示了其對整體結構吸能性能的增強機理。研究發現：對于40mm×40mm×80mm（長×寬×高）的泡沫鋁填充不銹鋼方管，環向反對稱三條紋的布局方案為最佳局部納米化布局設計，該方案對應的試件在壓縮過程中形成褶皺較其他方案更多；局部表面納米化增強了薄壁方管與泡沫鋁之間的相互作用，較未納米化填充吸能結構提升了33%。基于上述設計的納米化重型裝備空投緩沖臺，相較于普通緩沖臺吸收能量提升了41.76%，有效提高重型裝備的空投安全性。此外，相比現有吸能結構，本文提出的設計方法無須改變結構形狀，無附加質量，可擴展至其他航空航天器吸能結構、著陸緩沖系統等設計中。

參考文獻

[1]劉小川，王彬文，白春玉，等.航空結構沖擊動力學技術的發展與展望[J].航空科學技術， 2020， 31（3）： 1-14. Liu Xiaochuan， Wang Binwen， Bai Chunyu， et al. Progress and prospect of aviation structure impact dynamics[J]. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（3）： 1-14. （in Chinese）

[2]白佳瑤，黃金紅，侯兵，等.不同壓潰速度下復合材料圓管吸能特性試驗及數值模擬研究[J].航空科學技術， 2021， 32（12）： 66-73. Bai Jiayao，Huang Jinhong，Hou Bing，et al. Experimental and numerical simulation research on the energy absorption properties of composite circular tubes at different crushing velocities[J]. Aeronautical Science & Technology， 2021， 32（12）： 66-73. （in Chinese）

[3]Baroutaji A，Sajjia M，Olabi A G. On the crashworthiness performance of thin-walled energy absorbers：recent advances and future developments[J]. Thin-Walled Structures，2017，118：137-163.

[4]Song X G，Sun G Y，Li G Y，et al. Crashworthiness optimization of foam -filled tapered thin-walled structure using multiple surrogate models[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization，2013，47（2）：221-231.

[5]Tingwall E. How does the U. S. Army just casually drop humvees out of planes？[EB/OL]. [2015-08-29]. Https：// www. esquire. com/ news- politics/a37502/how-does-the-usarmy-drop- humvees-out-of-planes/.

[6]Hanssen A C，Langseth M，Hopperstad O S. Static and dynamic crushing of circular aluminium extrusions with aluminium foam filler[J]. International Journal of Impact Engineering，2000，24（5）：475-507.

[7]李思超，楊旭東，安濤，等.泡沫鋁填充薄壁管復合結構壓縮與吸能性能[J].航空材料學報， 2019， 39（5）： 120-127. Li Sichao， Yang Xudong， An Tao， et al. Compression and energy absorption properties of Al foam-filled tube composite structure[J]. Journal of Aeronautical Materials， 2019， 39（5）： 120-127. （in Chinese）

[8]Duarte I，Vesenjak M，Krstulovic O L，et al. Compressive performance evaluation of APM（Advanced Pore Morphology）foam filled tubes[J]. Composite Structures，2015，134：409-420.

[9]Taherishargh M，Vesenjak M，Belova I V，et al. In situ manufacturing and mechanical properties of syntactic foam filled tubes[J]. Materials & Design，2016，99：356-368.

[10]王巍，安子軍，彭春彥，等.泡沫鋁填充鋼/鋁復合管軸向抗沖擊吸能特性[J].哈爾濱工程大學學報， 2017， 38（7）： 1093-1099. Wang Wei，An Zijun，Peng Chunyan， et al. Simulative research on the energy absorption characteristics of aluminum foam-filled steel / Al clad tube under axial impact loading[J]. Journal of Har‐bin Engineering University， 2017，38（7）： 1093-1099. （in Chinese）

[11]朱翔，尹曜，王蕊，等.泡沫鋁填充薄壁鋁合金多胞構件與單胞構件吸能性能研究[J].工程力學， 2021， 38（5）： 247-256. Zhu Xiang， Yin Yao， Wang Rui， et al. Energy absorption performance of thin-wall aluminum alloy multi-cell and singlecell components filled with aluminum foam[J]. Engineering Mechanics， 2021， 38（5）： 247-256. （in Chinese）

[12]桂良進，范子杰，王青春.泡沫填充圓管的軸向壓縮能量吸收特性[J].清華大學學報（自然科學版）， 2003， 43（11）： 1526-1529. Gui Liangjin， Fan Zijie， Wang Qingchun. Energy-absorption propertiesoffoam-filledcirculartubessubjectedtoaxial crushing[J] Journal of Tsinghua University （Science & Technology）， 2003， 43（11）： 1526-1529. （in Chinese）

[13]蘇高峰，田克楠，王艷麗，等.基于ANSYS/LS-DYNA開孔泡沫鋁壓縮及吸能性能的模擬[J].輕金屬， 2020 （7）： 40-46. Su Gaofeng， Tian Kenan， Wang Yanli， et al. Simulation of compression properties and energy absorption properties of open-cell aluminum foams based on ANSYS/LS-DYNA[J]. Light Metals， 2020（7）： 40-46. （in Chinese）

[14]李志斌，虞吉林，鄭志軍，等.薄壁管及其泡沫金屬填充結構耐撞性的試驗研究[J].實驗力學， 2012， 27（1）： 77-86. Li Zhibin， Yu Jilin， Zheng Zhijun， et al. An experimental study on the crash worthiness of thin-walled tubes and their metallic foam-filled structures[J]. Journal of Experimental Mechanics， 2012， 27（1）： 77-86. （in Chinese）

[15]李志超，上官文斌， Rakheja S，等.誘導結構對泡沫鋁填充薄壁方管軸向壓潰特性影響的研究[J].振動與沖擊， 2020， 39（6）： 167-175.Li Zhichao， Shangguan Wenbin， Rakheja S， et al. Effect of initiators on the axial crushing characteristics of foam-filled thin-walled square columns[J]. Journal of Vibration and Shock， 2020， 39（6）： 167-175. （in Chinese）

[16]李忠獻，張茂軒，師燕超.閉孔泡沫鋁的動態壓縮性能試驗研究[J].振動與沖擊， 2017， 36（5）： 1-6. Li Zhongxian， Zhang Maoxuan， Shi Yanchao. Tests for dynamic compressive performance of closed-cell aluminum foam[J]. Journal of Vibration and Shock， 2017， 36（5）： 1-6. （in Chinese）

[17]林華寶.著陸緩沖技術綜述[J].航天返回與遙感， 1996， 17（3）： 1-16. Lin Huabao. Landing impact attenuation technologies review[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing， 1996， 17（3）： 1-16.（in Chinese）

[18]Xu X S，Zhao Z，Zhou Z H，et al. Local surface nanocrystallization for buckling-resistant thin-walled structures[J]. International Journal of Mechanics and Materials in Design，2020，16（4）：693-705.

[19]徐雅晨，鳳儀，張春基，等.泡沫鋁填充薄壁鋁合金方管軸向壓縮性能的數值模擬[J].功能材料， 2010， 41（S2）： 214-217. Xu Yachen， Feng Yi， Zhang Chunji， et al. The study of vertical compressing mechanical properties of thin-walled square tubes filled with aluminum foam[J]. Journal of Functional Materials， 2010， 41（S2）： 214-217. （in Chinese）

A New Design of Filled Thin-Wall Energy Absorbing Structure Based on Surface Nanocrystallization Technology

Zhou Ruopu1，Wang Wei1，Xu Minglang1，Tong Zhenzhen2，Zhang Junjie1，Zhou Zhenhuan1

1. State Key Laboratory of Structure Analysis of Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

2. Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China

Abstract： Based on a local surface nanocrystallization technology， a new heavy equipment airdrop buffer system is proposed. Unlike the conventional design method of energy absorption structures， a surface nanocrystallization technology is employed to achieve the locally modification of thin-walled metal structures， therefore the deformation exhibiting the best energy absorbing performance occurrs. This design method has significant advantages such as unchanged structure shape， no additional mass. In this paper， firstly， the design process of aluminum foam-filled thinwalled metal square tube is presented and some specimens are fabricated. Secondly， the local surface nanocrystallization layout is optimized based on finite element simulation and experimental test. It is found that， for a certain geometrical size， the circumflex antisymmetric layout scheme is the best design and the energy-absorbing structure presents a stable progressive cascade deformation pattern with more folds than other schemes. Finally， the mechanism of surface nanocrystallization on improvement of the energy absorption performance of such structures is further studied and the energy absorption performance of the proposed buffer system is investigated. The results show that the local surface nano-layout improves the energy absorption performance of the thin-walled structure as well as the interaction between the thin-walled structure and the aluminum foam， therefore the energy absorption performance of the whole structure is greatly improved. Furthermore， the energy absorption performance would be further enhanced by a combination of thin-walled structures.

Key Words： local surface nanocrystallization； aluminum foam； thin-walled square； quasi-static compression； energy absorption； finite element method