低速冲击下金属蜂窝夹芯板抗侵彻性能的试验研究

陈尚军，秦庆华, *，张威，夏元明，于学会，张建勋，王彬文，王铁军

1. 西安交通大学 航天航空学院，机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049 2. 航空工业飞机强度研究所，西安 710065

金属蜂窝夹芯板具有高的比强度和比刚度、良好的能量吸收特性以及其他优异的力学性能，受到了越来越多研究者的关注[1-3]。在航空航天领域，蜂窝夹芯板经常被作为优质结构材料使用[4-5]，在飞机的主、次承力结构，如机翼、机身、尾翼、雷达罩及地板、内饰等这类大尺寸结构件均采用轻质蜂窝夹芯材料制作[6]。而在实际使用中，结构不可避免地会遭受局部冲击载荷的作用，例如工具坠落、冰雹撞击等。这时侵彻现象往往伴随着局部冲击载荷的作用而发生。结构一旦发生侵彻，其承载能力会有显著下降甚至完全丧失。因此，对金属蜂窝夹芯板在局部冲击载荷作用下侵彻行为的研究显得尤为重要。

近年来，国内外众多学者对夹芯结构在冲击载荷作用下的抗侵彻性能进行了大量研究，其中大部分是关于金属夹芯结构和复合材料夹芯结构在弹道冲击下抗侵彻性能的研究，提出了用弹道极限来表征夹芯结构抗侵彻能力的方法[7-8]，而对于低速冲击载荷作用下夹芯结构抗侵彻性能的研究并不充分。Fatt和Park[9]对芯材较厚的蜂窝夹芯板在平头锤头冲击下的侵彻破坏提出了一个3阶段的理论模型，并基于能量守恒给出了各个阶段能量消耗的表达式。Crupi等[10]利用落锤试验机，在半球形锤头冲击下，对金属蜂窝夹芯板在小能量冲击下的结构响应以及大能量冲击下的结构破坏进行了描述。李志斌和卢芳云[11]利用MTS和落锤试验机对复合材料夹芯板的压入和侵彻性能进行了试验研究，考虑了夹芯板几何参数、锤头形状以及边界条件对能量吸收效率因子的影响。但是对于不同芯材厚度的金属蜂窝夹芯板在不同形状锤头低速冲击下的试验研究还比较少，因此本文将针对该类问题进行系统的试验研究。

本文将主要对金属蜂窝夹芯板在低速冲击载荷作用下的抗侵彻行为进行试验研究，分析锤头形状和芯材厚度对夹芯板最终破坏模式、力-位移曲线和临界破坏能量的影响。

1 试验试件

本文冲击试验选取的试件为金属蜂窝夹芯板，其面板均为厚度为1.1 mm的Al-1060-H24铝板，芯材为厚度为0.05 mm的Al-5052铝箔制成的蜂窝，蜂窝胞元内切圆直径为4.76 mm，夹芯板的蜂窝高度分为15 mm和30mm 2种情形，面板和芯材的材料参数如表1和表2所示。

金属蜂窝夹芯板制备时，先将面板和蜂窝芯材切割成指定尺寸，然后沿蜂窝芯材边缘填充发泡胶，以防止边缘固定时芯材被压溃，之后将切割好的面板和蜂窝芯材通过胶膜热压粘接在一起，形成几何尺寸为300 mm×300 mm的蜂窝夹芯板，最后沿夹芯板边缘每边开4个螺栓孔，制备好后的金属蜂窝夹芯板试件如图1所示，其冲击区域的有效尺寸均为220 mm×220 mm。

表1 面板及蜂窝基体材料参数

表2 蜂窝芯材参数Table 2 Properties of honeycomb core

图1 蜂窝夹芯板Fig.1 Honeycomb sandwich plate

2 试验方法

图2 冲击试验装置图Fig.2 Device for impact tests

低速冲击试验采用图2所示的大能量落锤冲击试验系统(DHR-1205)进行，其冲击速度误差可以控制在2‰以内，该试验系统由3部分组成：配重和锤头组成的加载部分；夹板与支座组成的夹持部分；力传感器和激光位移传感器组成的测量部分。试验中考虑了平头(Blunt)、半球形(Spherical)和锥形(Cone)3种不同形状的锤头，其形状和尺寸如图3所示。

试验时，试件通过上下夹板和螺栓固定在支座上以实现固支边界条件，将所用锤头与配重固定在一起形成落锤冲击体，锤头中心正对试件中心，通过释放装置释放落锤以实现落锤自由落体运动冲击夹芯板试件。通过力传感器和激光位移传感器记录试验中冲击端的冲击力和夹芯板的位移。试验中，落锤质量为146.22 kg，初始冲击速度为1.43 m/s。

试验按照锤头形状和夹芯板厚度的不同，分为6组，具体试验设计如表3所示。

图3 锤头几何形状和尺寸示意图Fig.3 Schematic of geometry and dimensions of projectiles

表3 试验设计Table 3 Summary of test design

分组芯材厚度/mm锤头形状锤头质量/kg冲击速度/(m·s-1)A-115平头146.221.43A-230平头146.221.43B-115半球形146.221.43B-230半球形146.221.43C-115锥形146.221.43C-230锥形146.221.43

3 结果与讨论

3.1 破坏模式

在3种锤头冲击作用下，夹芯板整体破坏模式如图4所示。从图中可以看出，金属蜂窝夹芯板的变形和破坏主要集中于锤头作用的局部区域，这部分区域可以分为破坏侵彻区和变形区，而在变形区以外，夹芯板几乎没有变形。

在夹芯板的变形侵彻区，夹芯板上下面板的破坏侵彻模式有显著不同，其上下面板的局部破坏模式分别如图5和图6所示。

图4 夹芯板整体破坏模式Fig.4 Global fracture modes of sandwich plates

图5 夹芯薄板上下面板局部破坏模式Fig.5 Local fracture modes of top and bottom face-sheets of thin sandwich plates

图6 夹芯厚板上下面板局部破坏模式Fig.6 Local fracture modes of top and bottom face-sheets of thick sandwich plates

在平头锤头冲击下，上面板与锤头直接接触区域被冲塞剪切形成一个与锤头等直径的圆孔，而在圆孔周围有着明显的呈同心圆分布的变形区，下面板同样发生了剪切失效，其剪切失效区域略大于锤头直径。

在半球形锤头冲击下，上面板与锤头直接接触区域形成了一个圆孔，孔的外侧则形成了不规则的变形区，这是由于半球形锤头对面板的拉伸作用形成的，而下面板则出现了瓣形开裂模式的破坏，在开裂区以外的区域并无明显的变形。

在锥形锤头冲击下，上面板与锤头直接接触区域形成了钻石形孔，在孔外侧则形成了相比于半球形锤头冲击下更加不规则的变形区，而下面板则同样出现了类似于半球形锤头冲击下的瓣形开裂模式的破坏，在开裂区域以外也未发现有明显变形。

对比夹芯薄板和夹芯厚板在相同锤头作用下的破坏模式，可以发现，无论是平头锤头、半球形锤头还是锥形锤头冲击作用下，夹芯薄板和夹芯厚板的破坏模式都基本相同，而在不同锤头冲击作用下，其变形模式均不同，这说明，芯材厚度对金属蜂窝夹芯板在大质量低速落锤冲击作用下的破坏模式影响较小，而锤头形状对金属蜂窝夹芯板在大质量低速落锤冲击作用下的破坏模式有较大影响。

图7 在3种锤头冲击作用下夹芯薄板和夹芯厚板的力-位移曲线 Fig.7 Impact force-displacement curves of sandwich plates (thin core type and thick core type) with different projectile shapes

3.2 力-位移曲线

图7给出了金属蜂窝夹芯板在3种锤头冲击作用下夹芯薄板和夹芯厚板的力-位移曲线。从图中可以看出，金属蜂窝夹芯薄板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线会出现单峰模式，金属蜂窝夹芯厚板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线则是双峰模式，而在平头锤头冲击下的金属蜂窝夹芯板的力-位移曲线均为双峰模式。

在平头锤头冲击下，上下面板均发生冲塞剪切破坏，剪切破坏发生的时间非常短，上面板发生剪切破坏时，芯材与下面板的变形非常小。上面板剪切破坏后，芯材被压缩直至完全密实，最后下面板发生剪切破坏，3个变形、破坏过程之间的耦合作用十分微弱，因此在力-位移曲线上表现出双峰的响应形式。

对于锥形与半球形锤头冲击金属蜂窝夹芯厚板时，上面板发生拉伸破坏，从锤头与上面板发生接触至上面板发生拉伸完全破坏的过程中，虽然上面板局部发生了较大变形，在上面板发生破坏的过程中同时压缩着上面板下方的蜂窝芯材，但是由于芯材较厚，在上面板完全发生破坏之前被压缩的芯材占整个芯材厚度的比例较小。在上面板发生完全破坏后，锤头进一步压缩芯材直至密实，最终作用于下面板，下面板在拉弯耦合作用下发生瓣形开裂破坏。夹芯厚板在侵彻过程中3个阶段之间的耦合作用较弱，因此在力-位移曲线上表现出了双峰的响应形式。

对于锥形与半球形锤头冲击金属蜂窝夹芯薄板时，上面板发生拉伸破坏，从锤头与上面板发生接触至上面板发生拉伸完全破坏过程中，在上面板局部发生较大变形的同时，上面板下方的蜂窝芯材也被压缩至完全密实，由于芯材较薄，会进一步地作用于下面板，最终下面板在拉弯耦合作用下也发生了瓣形开裂破坏。夹芯薄板侵彻过程中各阶段耦合作用十分强烈，因此在力-位移曲线上会表现出单峰的响应形式。

另外，对于锥形锤头冲击下的金属蜂窝夹芯板，可以看到其力-位移曲线在初始阶段有比较明显的斜率变化，这是因为在锥形锤头冲击作用下，夹芯板上面板会在较小变形下就发生了穿刺，发生穿刺后的夹芯板结构刚度会发生一定的下降，在锤头的进一步作用下，夹芯板会沿着锤头径向发生一定的撕裂，而半球形锤头作用下的夹芯板上面板则没有发生开裂现象。

3.3 临界破坏能量

夹芯板发生侵彻破坏时所需的能量是反映其抗侵彻性能的重要指标。Mindess和Yan[12]在研究混凝土结构抗侵彻问题时，提出了一种表征结构发生侵彻破坏所需能量的方法，即

(1)

式中：EX为结构侵彻破坏所需的能量；S为锤头在冲击过程中的位移；F(S)为动态冲击力；SX为动态冲击力下降到峰值冲击力1/3处所对应的锤头位移值。

图8给出了金属蜂窝夹芯板在不同锤头冲击作用下的侵彻能。从图中可以看出，金属蜂窝夹芯薄板在半球形锤头冲击下的侵彻能最大，而在平头锤头冲击下的侵彻能最小。金属蜂窝夹芯厚板在锥形锤头冲击下的侵彻能最大，而在平头锤头和半球形锤头冲击下的侵彻能较小。对于平头锤头和锥形锤头冲击下，金属蜂窝夹芯薄板的侵彻能小于金属蜂窝夹芯厚板，而对于半球形锤头冲击下，金属蜂窝夹芯薄板的侵彻能明显高于金属蜂窝夹芯厚板。

但是由于不同结构其质量不同，这导致仅从侵彻能进行比较有一定的问题，考虑到这种差异，又定义了夹芯板单位质量下的比侵彻能(Specific Fracture Energy)为

(2)

式中：M为夹芯板有效区域的质量。

图8 金属蜂窝夹芯板在不同锤头冲击作用下的侵彻能Fig.8 Fracture energy of sandwich plates under impact with different projectile shapes

图9 金属蜂窝夹芯板在不同锤头冲击作用下的 比侵彻能Fig.9 Specific fracture energy of sandwich plates under impact with different projectile shapes

图9给出了金属蜂窝夹芯板在不同锤头冲击作用下的比侵彻能。从图中可以看出，金属蜂窝夹芯薄板在半球形锤头冲击下的比侵彻能最大，而在平头锤头冲击下的比侵彻能最小。金属蜂窝夹芯厚板在锥形锤头冲击下的比侵彻能最大，而在平头锤头和半球形锤头冲击下的比侵彻能较小。对于平头锤头冲击下，金属蜂窝夹芯薄板的比侵彻能小于金属蜂窝夹芯厚板，对于半球形锤头冲击下，金属蜂窝夹芯薄板的比侵彻能大于金属蜂窝夹芯厚板，而对于锥形锤头冲击下，金属蜂窝夹芯薄、厚板比侵彻能差不多。

综合金属蜂窝夹芯板在不同锤头冲击作用下的侵彻能和比侵彻能的比较，可以得出，金属蜂窝夹芯薄板在半球形锤头冲击下抵抗侵彻的能力最好，抵抗平头侵彻的能力最差，而金属蜂窝夹芯厚板抵抗锥形锤头侵彻的能力最好，抵抗平头和半球形锤头侵彻的能力较差。

4 结 论

利用落锤冲击试验系统对金属蜂窝夹芯薄板和金属蜂窝夹芯厚板在低速大质量落锤冲击载荷作用下的抗侵彻行为进行了试验研究，分析了锤头形状和芯材厚度对夹芯板最终破坏模式、力-位移曲线和临界破坏能量的影响。试验结果表明：

1) 夹芯板在平头、半球形和锥形锤头冲击下，上面板分别产生了圆形剪切、圆形拉伸和钻石形的最终失效模式，其下面板的最终失效模式分别为圆形剪切、瓣形开裂和瓣形开裂。

2) 金属蜂窝夹芯薄板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线会出现单峰模式，金属蜂窝夹芯厚板在锥形锤头和半球形锤头冲击下的力-位移曲线则是双峰模式，而在平头锤头冲击下的金属蜂窝夹芯板的力-位移曲线均为双峰模式。

3) 金属蜂窝夹芯薄板在半球形锤头冲击下抵抗侵彻的能力最好，抵抗平头锤头侵彻的能力最差，而金属蜂窝夹芯厚板抵抗锥形锤头侵彻的能力最好，抵抗平头和半球形锤头侵彻的能力较差。

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