蜂窩夾芯板的抗高速?zèng)_擊性能研究

王曉強(qiáng) 胡方靚 徐雙喜

(海裝武漢局駐武漢地區(qū)第二軍事代表室1) 武漢 430064) (中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所2) 景德鎮(zhèn) 333001)(武漢理工大學(xué)高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院4) 武漢 430063)

0 引 言

夾層結(jié)構(gòu)由上下面板和芯層粘合而成，由于其具有輕質(zhì)、比吸能效果好、抗侵徹性能好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在航空和船舶制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]，其中蜂窩夾層結(jié)構(gòu)因?yàn)槌尚腿菀锥^為常見(jiàn)，美國(guó)海軍已經(jīng)將蜂窩板應(yīng)用于舷側(cè)艙壁防護(hù)結(jié)構(gòu)[2].并且由于夾層結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)樽陨韼缀螀?shù)的變動(dòng)而表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，所以引起了國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的關(guān)注.

目前在準(zhǔn)靜態(tài)壓痕和低速?zèng)_擊載荷條件下，對(duì)夾層板的力學(xué)行為進(jìn)行了廣泛的研究.Shitta[3]對(duì)鋁制蜂窩夾層板進(jìn)行了一系列準(zhǔn)靜態(tài)和低速?zèng)_擊試驗(yàn)，對(duì)比了夾層板和裸蜂窩芯樣品的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)面板使得整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)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(zhì)量的單板的抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)在一定的沖擊范圍內(nèi)，蜂窩夾芯板的撓度變形小于其他兩種靶板.潘晉等[5]通過(guò)數(shù)值仿真研究發(fā)現(xiàn)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(duì)耐撞性的影響.李春鵬等[6]研究了芯層排列順序?qū)箾_擊性能的影響.Sun等[7-8]系統(tǒng)地研究了幾何參數(shù)(如面板厚度、芯高和胞元尺寸)對(duì)低速?zèng)_擊阻力的影響.

相對(duì)而言，夾層結(jié)構(gòu)的高速?zèng)_擊性能還有待于充分了解，而艦船在海戰(zhàn)中往往受到反艦導(dǎo)彈造成的高速破片沖擊[9].文中利用數(shù)值仿真模擬了破片侵徹鋁制蜂窩夾芯板的過(guò)程，分析了前后面板、蜂窩芯層的能量吸收情況，對(duì)比了各部分在抗沖擊時(shí)起到的作用，并進(jìn)一步研究了面板厚度、芯層高度、蜂窩胞元壁厚和邊長(zhǎng)對(duì)夾芯板抗沖擊性能的影響，旨在得到蜂窩夾芯板抗高速?zèng)_擊性能與幾何參數(shù)之間的關(guān)系.

1 有限元模型的建立

為了研究高速?gòu)楏w沖擊下蜂窩夾芯板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)文獻(xiàn)[10]中的試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1.整個(gè)夾芯板的尺寸為150 mm×150 mm×15 mm，通過(guò)螺栓將夾芯板四周進(jìn)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(zhǎng)4 mm的正六邊形蜂窩，材料為3003-H18鋁，采用展開(kāi)法[11]制作而成，單層厚度為0.07 mm，見(jiàn)圖2.實(shí)驗(yàn)中使用的破片為直徑12 mm、質(zhì)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(guò)程中彈丸的變形忽略不計(jì)，所以在數(shù)值仿真中將破片設(shè)置為剛體.

圖1 試驗(yàn)裝置

圖2 夾芯板幾何結(jié)構(gòu)

整個(gè)模型結(jié)構(gòu)均采用顯式殼單元S4R建立，為保證計(jì)算精度和提高計(jì)算效率，在夾芯板中心沖擊(45 mm×45 mm的正方形區(qū)域)進(jìn)行了局部細(xì)化，見(jiàn)圖3，細(xì)化后的網(wǎng)格尺寸為0.5 mm×0.5 mm，其余部分的網(wǎng)格尺寸為2 mm.根據(jù)文獻(xiàn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)的描述，將夾層板的四周設(shè)置成剛性固定，前、后面板和蜂窩芯層之間采用“Tie”連接，整個(gè)模型采用通用接觸用來(lái)模擬碰撞過(guò)程中結(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)置為0.3.

圖3 網(wǎng)格劃分和邊界條件

有限元模型中，面板和芯層的鋁合金應(yīng)用到的塑性模型和失效模型選用Johnson-Cook本構(gòu)方程.材料參數(shù)的值取自文獻(xiàn)[12]，見(jiàn)表1.

表1 材料屬性

2 數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證

試驗(yàn)中面板厚度T=1.0 mm、芯層高度H=15 mm、芯層邊長(zhǎng)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(yàn)中T1.0-H15-L4-t0.07板在三種沖擊速度下分別出現(xiàn)了前板出現(xiàn)凹痕、僅貫穿前板和完全貫穿夾芯板三種毀壞狀態(tài).所以選用這三種工況能更好的驗(yàn)證所建立的有限元模型能否正確模擬夾芯板的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

表2為仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的剩余速度對(duì)比.由表2可知，數(shù)值計(jì)算模擬出與試驗(yàn)測(cè)得基本接近的剩余速度，當(dāng)破片出現(xiàn)回彈時(shí)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了一定的誤差，這可能是由于試驗(yàn)中的鋁合金板的面板和芯層之間實(shí)際上有一層粘合層，當(dāng)速度達(dá)到172.4 m/s時(shí)仿真和試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果差異非常小，說(shuō)明當(dāng)速度增大后，粘合層對(duì)于結(jié)果的影響幾乎可以忽略.而當(dāng)入射速度為138 m/s時(shí)試驗(yàn)結(jié)果為嵌入夾芯板而仿真結(jié)果則出現(xiàn)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(shí)試驗(yàn)與仿真中的邊界條件的差異或許會(huì)造成試驗(yàn)和仿真之間的誤差.

表2 破片剩余速度對(duì)比

圖4為夾芯板受破片沖擊時(shí)數(shù)值仿真和試驗(yàn)的面板破壞變形對(duì)比圖.由圖4可知:入射速度為76.2 m/s時(shí)僅在前面板發(fā)現(xiàn)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(dāng)入射速度為138 m/s時(shí)，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(xiàn)裂紋；當(dāng)速度增加到172.4 m/s時(shí)，兩個(gè)面板完全被貫穿.從面板的破壞模式可以看出數(shù)值仿真可以較好的模擬各種破壞模式下破片對(duì)面板的毀傷結(jié)果.

圖4 前后面板對(duì)比

以172.4 m/s工況為例，通過(guò)仿真和試驗(yàn)得到破片沖擊位置的截面對(duì)比見(jiàn)圖5.由圖5可知:數(shù)值仿真能比較準(zhǔn)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(xiàn)象.綜合剩余速度以及夾層板的破壞情況，可以說(shuō)明數(shù)值仿真的方法可行，并在接下來(lái)進(jìn)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(nèi)部破壞對(duì)比圖

3 能量吸收特性

夾芯板各組成部分對(duì)彈丸沖擊能量吸收的貢獻(xiàn)不同，因此通過(guò)數(shù)值仿真分析了夾芯板各組成部分對(duì)彈丸沖擊能量吸收的變化過(guò)程.圖6為當(dāng)分別受到76.2、138.0和172.4 m/s的沖擊速度(分別對(duì)應(yīng)于圖4的三種穿透模式)時(shí)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(dòng)能，根據(jù)能量守恒定律，在侵徹過(guò)程中破片的動(dòng)能和夾芯板內(nèi)能相加得到的總能量始終不變，從中可以表明破片的動(dòng)能在沖擊時(shí)逐漸轉(zhuǎn)化為夾芯板的內(nèi)能，并且?jiàn)A芯板的內(nèi)能由前面板、蜂窩芯層和后面板的內(nèi)能組成.

圖6 夾芯板能量吸收時(shí)程曲線

對(duì)比能量時(shí)程曲線和破壞情況可得，夾芯板各部件主要通過(guò)自身的塑性變形來(lái)吸能，當(dāng)速度為76.2 m/s時(shí)，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(jì)；當(dāng)速度為138以及176.2 m/s時(shí)，可以看出能量吸收呈現(xiàn)三個(gè)階段，第一階段為破片剛接觸前板時(shí)，由于前面板的阻力對(duì)能量吸收貢獻(xiàn)最大，彈丸的動(dòng)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(dá)到一個(gè)平臺(tái)，因?yàn)樗呀?jīng)被彈丸穿孔.由于蜂窩芯提供的阻力相對(duì)較弱，彈丸動(dòng)能的下降斜率減慢.在這一階段，能量吸收主要?dú)w因于彈丸穿透蜂窩芯時(shí)蜂窩芯的破碎.進(jìn)入第三階段時(shí)，彈丸與后面板接觸，后面板開(kāi)始吸收更多的能量，彈丸動(dòng)能下降的斜率比第二階段陡.當(dāng)速度達(dá)到176.2 m/s時(shí)，破片完全擊穿，此時(shí)后板吸收的能量(30.95 J)同前板(30.35 J)幾乎相同.當(dāng)破片穿出后，各部分吸收的能量也隨之趨于穩(wěn)定.

利用ABAQUS對(duì)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(shì)見(jiàn)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(dòng)能的增加而增加，當(dāng)沖擊能量為104.77 J時(shí)，后面板吸能(30.96 J)和吸能率(29.55%)均超過(guò)了前面板，隨后吸能率也開(kāi)始下降，說(shuō)明了隨著夾芯板被擊穿后各部分的吸能均達(dá)到了極限，再增加沖擊能量并不能增加各組件對(duì)動(dòng)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(shù)研究

4.1 幾何參數(shù)對(duì)彈道極限速度的影響

彈道極限速度通常用于測(cè)量夾層板的穿孔阻力，它表示特定彈丸完全穿孔目標(biāo)所需的最小沖擊速度，可作為夾芯板抗侵徹性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算了夾芯板的彈道極限速度，并以幾何參數(shù)分組對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖8.由圖8a)可知，彈道極限速度機(jī)會(huì)隨面板厚度呈線性增加關(guān)系.而芯層高度對(duì)彈道極限速度的影響很小，芯層高度主要影響整個(gè)夾芯板的抗彎強(qiáng)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(shí)，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(huì)增加蜂窩夾芯板的極限速度.當(dāng)增加胞元壁厚時(shí)，破片穿透蜂窩需要消耗更多的動(dòng)能；而當(dāng)減小胞元尺寸時(shí)，意味著破片在侵徹過(guò)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(shí)，它們都會(huì)增加芯層剛度，有研究表明，更剛性的芯層會(huì)將前面板的變形限制在較小的區(qū)域內(nèi)，從而導(dǎo)致較高的局部應(yīng)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(dòng)態(tài)載荷范圍內(nèi)，蜂窩夾芯板的抗沖擊性能優(yōu)于等質(zhì)量的單層實(shí)心板.

4.2 幾何參數(shù)對(duì)能量吸收的影響

在數(shù)值仿真中設(shè)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(gè)幾何參數(shù)下能量吸收情況見(jiàn)圖9.由圖9可知，面板在整個(gè)吸能過(guò)程中占據(jù)著十分重要的地位，隨著面板厚度的增加，整個(gè)夾芯板以及各部分吸收能量均增加，雖然芯層的參數(shù)沒(méi)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(shí)沖擊能量可以隨著面板變形范圍的擴(kuò)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(shí)參與抵御沖擊的蜂窩數(shù)量較少，同時(shí)芯層材料的強(qiáng)度低，質(zhì)量輕，所以蜂窩芯層的幾何參數(shù)對(duì)蜂窩夾芯板吸收能量的影響效果甚微.

另一方面，由于整個(gè)模型的質(zhì)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(kāi)始下降，由圖9b)可知，面板厚度為1.2 mm時(shí)，面板的吸能效率最高，此時(shí)SEA=453.59 J/kg；由圖9c)可知，面板厚度為1.6 mm時(shí)，整個(gè)夾芯板的吸能效率最高，此時(shí)SEA=474.33 J/kg.

圖9 夾芯板能量吸收情況

4.3 幾何參數(shù)對(duì)比吸能的影響

在夾層結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，輕量化也是其中一個(gè)主要目標(biāo).所以在評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量在內(nèi)的比吸能也是重要的指標(biāo)之一.圖10為各個(gè)幾何參數(shù)對(duì)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(shí)也會(huì)快速地增加結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量，所以當(dāng)面板厚度增加到一定程度后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的比吸能會(huì)有所下降，由圖10a)可知，本次研究的面板厚度為1.6 mm時(shí)，夾芯板的比吸能最大.改變芯層的參數(shù)雖然對(duì)質(zhì)量和能浪吸收的影響都較小，但是從圖10b)～d)可知，當(dāng)芯層高度在12.5 mm、胞元厚度在0.06 mm、邊長(zhǎng)在5.0 mm時(shí)分別對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)的抗侵徹能力，但是一昧地增加面板厚度也會(huì)增加整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，降低其吸收能量的效率.芯層由于自身質(zhì)量輕，在吸收破片動(dòng)能中作用較小，但是芯層剛度對(duì)整個(gè)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(zhǎng)的減少都會(huì)造成芯層剛度的增加，使得破片在穿透蜂窩芯層時(shí)的需要耗費(fèi)更多的能量，所以?shī)A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(qiáng)度更高的芯層也會(huì)降低夾芯板的比吸能.

5 結(jié) 論

1)當(dāng)破片高速撞擊鋁蜂窩夾芯板時(shí)，整個(gè)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(gè)侵徹過(guò)程中，破片的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為蜂窩夾芯板各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)能，在破片完全貫穿夾芯板時(shí)，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(gòu)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(huì)降低整個(gè)夾芯板的吸能效率.

4)芯層作為夾芯板的重要構(gòu)件之一，增加蜂窩胞元壁厚和減小胞元邊長(zhǎng)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(duì)夾芯板的抗侵徹能力影響不大.

5)在本次數(shù)值計(jì)算中，面板厚度為1.6 mm、蜂窩胞元厚度為0.06 mm、胞元邊長(zhǎng)為5.0 mm、芯層高度為12.5 mm時(shí)分別對(duì)應(yīng)的夾芯板比能量吸收率最高.