不同沖擊速度對(duì)鋁蜂窩板沖擊動(dòng)力響應(yīng)的影響

孫國(guó)恩，宋相軍

(1.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春市正通科技開發(fā)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

在過(guò)去的幾十年中，人造鋁蜂窩板因具有質(zhì)輕、良好的能量吸收能力和隔聲等優(yōu)異的特性而廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域[1-3]。在這些領(lǐng)域的實(shí)際使用中，對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性有著嚴(yán)格的要求。

目前，大量學(xué)者對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。石珊珊等研究了Kevlar短纖維增韌碳纖維/鋁蜂窩夾芯板三點(diǎn)彎曲與面內(nèi)壓縮性能[4]。鄭吉良等通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)等腰梯形蜂窩芯進(jìn)行面外壓縮性能的試驗(yàn)測(cè)試與模擬[5]。賈培奇等研究了不同高度尺寸對(duì)正六邊形商用鋁蜂窩面外力學(xué)性能的影響[6]。羅昌杰等研究了金屬蜂窩在靜態(tài)異面壓縮及沖擊加載下平均壓縮力學(xué)的理論模型[7]。

由于蜂窩結(jié)構(gòu)的多樣性，主要包括結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和材料的不同，給其力學(xué)分析增加了很大的難度。本文主要通過(guò)ABAQUS/Explicit有限元仿真軟件模擬不同沖擊速度對(duì)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)板結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性的影響，主要從等效塑性應(yīng)變、能量吸收特性方面對(duì)其進(jìn)行分析，旨在為相關(guān)研究提供借鑒和指導(dǎo)。

2 鋁蜂窩板沖擊動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值模型

2.1 有限元模型

在鋁蜂窩板沖擊過(guò)程中，采用ABAQUS/Explicit的動(dòng)態(tài)顯示算法計(jì)算其動(dòng)力響應(yīng)。圖1是鋁蜂窩板在ABAQUS中的有限元沖擊模型，其中，剛性球的半徑為10mm，上鋁板和下鋁板都是由長(zhǎng)72.7mm、寬66mm的矩形面板構(gòu)成，鋁蜂窩芯是一個(gè)7×7大小的正六邊形(即X和Y方向都有7個(gè)蜂窩單元)組成，邊長(zhǎng)和厚度都為6mm。

圖1 鋁蜂窩板沖擊的有限元模型

鋁板和鋁蜂窩選用S4R具有4節(jié)點(diǎn)曲面薄殼或厚殼減縮積分單元進(jìn)行模擬。在沖擊過(guò)程中，剛性球不發(fā)生變形，故選用剛性單元C3D4進(jìn)行模擬。C3D4是具有4節(jié)點(diǎn)顯式線性剛體單元。由于剛體單元在模擬中不計(jì)算單元層次，可以有效縮短計(jì)算時(shí)間。

2.2 材料模型

由于鋁合金A5052具有良好的焊接性和可塑性，常用于航空航天、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域[8]。為此，本文中蜂窩材料使用A5052，蜂窩材料和剛性球參數(shù)見表1。在數(shù)值模擬過(guò)程中，采用Johnson-Cook材料模型，具體的模型參數(shù)見表2。

表1 A5052和剛性球的參數(shù)

表2 A5052的Johnson-Cook材料模型參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 等效塑性應(yīng)變特性

圖2是鋁蜂窩上表面板在不同沖擊條件下的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。圖3是鋁蜂窩芯在不同沖擊條件下的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。表3是從圖2和圖3中總結(jié)出來(lái)的鋁蜂窩破壞情況表?？梢钥闯?，隨著沖擊速度的增大，上表面鋁蜂窩板和鋁蜂窩芯的最大等效塑性應(yīng)變也隨之增大。當(dāng)沖擊速度為5m/s時(shí)，鋁蜂窩上表面板和鋁蜂窩芯均未發(fā)生破損和斷裂；當(dāng)沖擊速度為10m/s時(shí)，鋁蜂窩上表面板未發(fā)生破損和斷裂，但鋁蜂窩芯局部等效塑性應(yīng)變達(dá)到材料的塑性極限，從而使該區(qū)域發(fā)生破損；當(dāng)速度繼續(xù)增大到20m/s時(shí)，鋁蜂窩上表面板和鋁蜂窩芯由于局部等效塑性應(yīng)變都達(dá)到材料的塑性極限，所以其局部區(qū)域均發(fā)生破損和斷裂。

表3 鋁板和鋁蜂窩芯在不同沖擊速度下的破壞情況

圖2 上表面鋁板等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖3 鋁蜂窩芯等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

3.2 能量吸收特性

對(duì)于鋁蜂窩板而言，能量吸收特性對(duì)其具有重要意義。當(dāng)鋁蜂窩板在受到?jīng)_擊時(shí)，剛性球的初始動(dòng)能主要被鋁蜂窩芯以內(nèi)能的形式吸收。表4是ABAQUS中得出的鋁蜂窩板能量吸收特性表。從表中可以看出，隨著沖擊速度的增大，鋁蜂窩板的吸收能量也隨之變大，但是鋁蜂窩板的總體能量吸收率變小，這是因?yàn)殡S著剛性球沖擊速度的增大，導(dǎo)致鋁蜂窩芯的破壞越來(lái)越嚴(yán)重，當(dāng)沖擊能量達(dá)到一定程度時(shí)，鋁蜂窩芯的吸收能量也將達(dá)到一定的極限值，從而使總體的能量吸收率降低。

表4 鋁蜂窩板在不同沖擊速度下的能量吸收特性

雖然鋁蜂窩板比一般的板材有較好的吸能效果，但是當(dāng)其吸收能量達(dá)到一定值時(shí)，其總體的能量吸收率也將降低。為此，在使用鋁蜂窩板時(shí)，需要對(duì)其總體的能量和所能吸收的能量進(jìn)行評(píng)估，以便能達(dá)到其使用安全性能要求。

4 結(jié) 論

本文研究了鋁蜂窩板在不同沖擊速度下的等效塑性應(yīng)變和能量吸收特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)沖擊速度為5m/s時(shí)，鋁板和鋁蜂窩芯均未受到破壞；當(dāng)沖擊速度達(dá)到10m/s和15m/s時(shí)，鋁板未受到破壞，但鋁蜂窩芯受到破壞；當(dāng)速度達(dá)到20m/s時(shí)，鋁板和鋁蜂窩芯均受到破壞。與此同時(shí)，隨著沖擊速度的增大，最大等效塑性應(yīng)變和吸收的能量隨之增加，但是總體的能量吸收率在下降。