蜂窝夹芯板的抗高速冲击性能研究

王晓强 胡方靓 徐双喜

(海装武汉局驻武汉地区第二军事代表室1) 武汉 430064) (中国直升机设计研究所2) 景德镇 333001)(武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室3) 武汉 430063) (武汉理工大学交通学院4) 武汉 430063)

0 引 言

夹层结构由上下面板和芯层粘合而成，由于其具有轻质、比吸能效果好、抗侵彻性能好等优点，近年来在航空和船舶制造等领域得到了广泛的应用[1]，其中蜂窝夹层结构因为成型容易而较为常见，美国海军已经将蜂窝板应用于舷侧舱壁防护结构[2].并且由于夹层结构会因为自身几何参数的变动而表现出不同的力学性能，所以引起了国内外很多学者的关注.

目前在准静态压痕和低速冲击载荷条件下，对夹层板的力学行为进行了广泛的研究.Shitta[3]对铝制蜂窝夹层板进行了一系列准静态和低速冲击试验，对比了夹层板和裸蜂窝芯样品的结果，发现面板使得整个夹层结构的抗冲击性有明显的提高.Yahaya等[4]研究了不同铝蜂窝芯、空气夹层板和等效质量的单板的抗冲击性能，发现在一定的冲击范围内，蜂窝夹芯板的挠度变形小于其他两种靶板.潘晋等[5]通过数值仿真研究发现同等条件下铝合金波纹夹层板具有良好的耐撞性，并分析了夹心层形式、撞击速度等对耐撞性的影响.李春鹏等[6]研究了芯层排列顺序对抗冲击性能的影响.Sun等[7-8]系统地研究了几何参数(如面板厚度、芯高和胞元尺寸)对低速冲击阻力的影响.

相对而言，夹层结构的高速冲击性能还有待于充分了解，而舰船在海战中往往受到反舰导弹造成的高速破片冲击[9].文中利用数值仿真模拟了破片侵彻铝制蜂窝夹芯板的过程，分析了前后面板、蜂窝芯层的能量吸收情况，对比了各部分在抗冲击时起到的作用，并进一步研究了面板厚度、芯层高度、蜂窝胞元壁厚和边长对夹芯板抗冲击性能的影响，旨在得到蜂窝夹芯板抗高速冲击性能与几何参数之间的关系.

1 有限元模型的建立

为了研究高速弹体冲击下蜂窝夹芯板的动态响应，采用ABAQUS有限元软件对文献[10]中的试验进行了数值仿真，试验装置见图1.整个夹芯板的尺寸为150 mm×150 mm×15 mm，通过螺栓将夹芯板四周进行刚性固定.前后面板厚度都为1 mm，均采用5052-O铝制成，芯层为边长4 mm的正六边形蜂窝，材料为3003-H18铝，采用展开法[11]制作而成，单层厚度为0.07 mm，见图2.实验中使用的破片为直径12 mm、质量7.05 g的球型钢制破片.有限元模型由夹芯板和破片组成，由于在侵彻过程中弹丸的变形忽略不计，所以在数值仿真中将破片设置为刚体.

图1 试验装置

图2 夹芯板几何结构

整个模型结构均采用显式壳单元S4R建立，为保证计算精度和提高计算效率，在夹芯板中心冲击(45 mm×45 mm的正方形区域)进行了局部细化，见图3，细化后的网格尺寸为0.5 mm×0.5 mm，其余部分的网格尺寸为2 mm.根据文献中对实验的描述，将夹层板的四周设置成刚性固定，前、后面板和蜂窝芯层之间采用“Tie”连接，整个模型采用通用接触用来模拟碰撞过程中结构的自接触和不同部件之间可能的相互作用，其中法向定义为“硬”接触，切向摩擦系数设置为0.3.

图3 网格划分和边界条件

有限元模型中，面板和芯层的铝合金应用到的塑性模型和失效模型选用Johnson-Cook本构方程.材料参数的值取自文献[12]，见表1.

表1 材料属性

2 数值计算方法的验证

试验中面板厚度T=1.0 mm、芯层高度H=15 mm、芯层边长L=4 mm、芯层厚度t=0.07 mm，为方便描述，用T1.0-H15-L4-t0.07板表示该夹芯板.由于试验中T1.0-H15-L4-t0.07板在三种冲击速度下分别出现了前板出现凹痕、仅贯穿前板和完全贯穿夹芯板三种毁坏状态.所以选用这三种工况能更好的验证所建立的有限元模型能否正确模拟夹芯板的动态响应.

表2为仿真和实验结果的剩余速度对比.由表2可知，数值计算模拟出与试验测得基本接近的剩余速度，当破片出现回弹时仿真结果和实验结果出现了一定的误差，这可能是由于试验中的铝合金板的面板和芯层之间实际上有一层粘合层，当速度达到172.4 m/s时仿真和试验测得的结果差异非常小，说明当速度增大后，粘合层对于结果的影响几乎可以忽略.而当入射速度为138 m/s时试验结果为嵌入夹芯板而仿真结果则出现回弹的原因是由于138 m/s的入射速度接近该夹芯板的弹道极限速度，此时试验与仿真中的边界条件的差异或许会造成试验和仿真之间的误差.

表2 破片剩余速度对比

图4为夹芯板受破片冲击时数值仿真和试验的面板破坏变形对比图.由图4可知:入射速度为76.2 m/s时仅在前面板发现凹痕，后面板几乎看不出变形，这在仿真中也能看出后面板的最大变形处挠度仅1 mm；当入射速度为138 m/s时，前面板被穿透，后面板留下局部凹坑，破片嵌入在夹芯板中，在仿真中同样也是后板出现裂纹；当速度增加到172.4 m/s时，两个面板完全被贯穿.从面板的破坏模式可以看出数值仿真可以较好的模拟各种破坏模式下破片对面板的毁伤结果.

图4 前后面板对比

以172.4 m/s工况为例，通过仿真和试验得到破片冲击位置的截面对比见图5.由图5可知:数值仿真能比较准确的模拟蜂窝芯层的屈曲失效以及面板和芯层之间的脱粘现象.综合剩余速度以及夹层板的破坏情况，可以说明数值仿真的方法可行，并在接下来进一步利用有限元仿真研究夹芯板的抗冲击性能.

图5 夹芯板内部破坏对比图

3 能量吸收特性

夹芯板各组成部分对弹丸冲击能量吸收的贡献不同，因此通过数值仿真分析了夹芯板各组成部分对弹丸冲击能量吸收的变化过程.图6为当分别受到76.2、138.0和172.4 m/s的冲击速度(分别对应于图4的三种穿透模式)时夹芯板在三种破坏模式下各部分能量吸收情况.其中，夹芯板受到的总能量为破片的初始动能，根据能量守恒定律，在侵彻过程中破片的动能和夹芯板内能相加得到的总能量始终不变，从中可以表明破片的动能在冲击时逐渐转化为夹芯板的内能，并且夹芯板的内能由前面板、蜂窝芯层和后面板的内能组成.

图6 夹芯板能量吸收时程曲线

对比能量时程曲线和破坏情况可得，夹芯板各部件主要通过自身的塑性变形来吸能，当速度为76.2 m/s时，由于后板变形情况十分微弱，所以吸收的能量可以忽略不计；当速度为138以及176.2 m/s时，可以看出能量吸收呈现三个阶段，第一阶段为破片刚接触前板时，由于前面板的阻力对能量吸收贡献最大，弹丸的动能迅速下降.在这一阶段，蜂窝单元的屈曲吸收的能量较小.在第二阶段，前面板的能量吸收达到一个平台，因为它已经被弹丸穿孔.由于蜂窝芯提供的阻力相对较弱，弹丸动能的下降斜率减慢.在这一阶段，能量吸收主要归因于弹丸穿透蜂窝芯时蜂窝芯的破碎.进入第三阶段时，弹丸与后面板接触，后面板开始吸收更多的能量，弹丸动能下降的斜率比第二阶段陡.当速度达到176.2 m/s时，破片完全击穿，此时后板吸收的能量(30.95 J)同前板(30.35 J)几乎相同.当破片穿出后，各部分吸收的能量也随之趋于稳定.

利用ABAQUS对T1.0-H15-L4-t0.07夹芯板增加了一系列速度的工况，夹芯板各组件能量吸收和吸收率随冲击能量增加的变化趋势见图7.由图7可知，前面板和芯层的吸收率随着冲击能量的增加而减少，而后面板在破片未完全击穿前随着动能的增加而增加，当冲击能量为104.77 J时，后面板吸能(30.96 J)和吸能率(29.55%)均超过了前面板，随后吸能率也开始下降，说明了随着夹芯板被击穿后各部分的吸能均达到了极限，再增加冲击能量并不能增加各组件对动能的吸收.

图7 夹芯板各组件能量吸收和能量吸收率

4 蜂窝夹芯板抗冲击性能参数研究

4.1 几何参数对弹道极限速度的影响

弹道极限速度通常用于测量夹层板的穿孔阻力，它表示特定弹丸完全穿孔目标所需的最小冲击速度，可作为夹芯板抗侵彻性能的评价标准.通过数值仿真计算了夹芯板的弹道极限速度，并以几何参数分组对结果进行了对比，见图8.由图8a)可知，弹道极限速度机会随面板厚度呈线性增加关系.而芯层高度对弹道极限速度的影响很小，芯层高度主要影响整个夹芯板的抗弯强度，提高芯层高度能有效提高夹芯板的弯曲刚度，但是在高速侵彻下，夹芯板受到的破坏是高度局部化的.由图8b)可知，直到芯层高度增加到20 mm时，弹道极限速度才有稍许的提高.因此，增加芯层高度并不能有效地提高夹芯板的抗侵彻性能.

图8 蜂窝夹芯板的弹道极限速度

由图8c)～d)可知，增加胞元壁厚以及减小胞元尺寸均会增加蜂窝夹芯板的极限速度.当增加胞元壁厚时，破片穿透蜂窝需要消耗更多的动能；而当减小胞元尺寸时，意味着破片在侵彻过程中需要粉碎更多的蜂窝芯层，因此在一定程度上均能提高夹芯板的抗侵彻性能.但与此同时，它们都会增加芯层刚度，有研究表明，更刚性的芯层会将前面板的变形限制在较小的区域内，从而导致较高的局部应变和较低的穿孔阻力，这不利于夹芯板抵御破片的高速侵彻[13].并且在一定的动态载荷范围内，蜂窝夹芯板的抗冲击性能优于等质量的单层实心板.

4.2 几何参数对能量吸收的影响

在数值仿真中设置了250 m/s速度以保证所有类型夹芯板均被完全击穿，得到各个几何参数下能量吸收情况见图9.由图9可知，面板在整个吸能过程中占据着十分重要的地位，随着面板厚度的增加，整个夹芯板以及各部分吸收能量均增加，虽然芯层的参数没有变化，但是由于面板厚度的增加，使得破片穿透面板的难度增加，此时冲击能量可以随着面板变形范围的扩大而传递至更多的芯层，所以造成芯层吸收的能量也有所增加.而在面板不变的情况下，破片侵彻时参与抵御冲击的蜂窝数量较少，同时芯层材料的强度低，质量轻，所以蜂窝芯层的几何参数对蜂窝夹芯板吸收能量的影响效果甚微.

另一方面，由于整个模型的质量也随之增加，面板和夹芯板的SEA随着厚度增加到一定峰值后开始下降，由图9b)可知，面板厚度为1.2 mm时，面板的吸能效率最高，此时SEA=453.59 J/kg；由图9c)可知，面板厚度为1.6 mm时，整个夹芯板的吸能效率最高，此时SEA=474.33 J/kg.

图9 夹芯板能量吸收情况

4.3 几何参数对比吸能的影响

在夹层结构工程设计中，轻量化也是其中一个主要目标.所以在评价结构的抗冲击性能时，考虑结构质量在内的比吸能也是重要的指标之一.图10为各个几何参数对夹芯板比吸能的影响.虽然增加面板厚度能显著的提高夹芯板的抗侵彻性能，但同时也会快速地增加结构自身的质量，所以当面板厚度增加到一定程度后，整个结构的比吸能会有所下降，由图10a)可知，本次研究的面板厚度为1.6 mm时，夹芯板的比吸能最大.改变芯层的参数虽然对质量和能浪吸收的影响都较小，但是从图10b)～d)可知，当芯层高度在12.5 mm、胞元厚度在0.06 mm、边长在5.0 mm时分别对应的夹芯板比吸能最高.

图10 夹芯板比吸能情况

综上所述，在蜂窝夹芯板中，面板作为抵抗破片的主要因素，增加面板厚度可以有效提升结构的抗侵彻能力，但是一昧地增加面板厚度也会增加整体结构的质量，降低其吸收能量的效率.芯层由于自身质量轻，在吸收破片动能中作用较小，但是芯层刚度对整个夹芯板的抗侵彻作用也有一定的影响，蜂窝胞元壁厚的增加和边长的减少都会造成芯层刚度的增加，使得破片在穿透蜂窝芯层时的需要耗费更多的能量，所以夹芯板的弹道极限速度和破片侵彻后的剩余速度有所提高，然而从吸能效率考虑，使用强度更高的芯层也会降低夹芯板的比吸能.

5 结 论

1)当破片高速撞击铝蜂窝夹芯板时，整个模型的冲击破坏模式主要包括前面板破裂、蜂窝芯层的屈曲和压碎、后面板破裂并与芯层部分脱粘.

2)在整个侵彻过程中，破片的动能逐渐转化为蜂窝夹芯板各个构件的内能，在破片完全贯穿夹芯板时，前后面板为主要吸能部分，吸收的能量接近，并且均大于芯层吸能.

3)面板是抵抗破片冲击的最主要构件，增加面板的厚度可以显著地提高夹芯板的抗侵彻性能，但增加到一定厚度后，会降低整个夹芯板的吸能效率.

4)芯层作为夹芯板的重要构件之一，增加蜂窝胞元壁厚和减小胞元边长均可以提高芯层的刚度，使得夹芯板的弹道极限速度增加，而增加芯层高度对夹芯板的抗侵彻能力影响不大.

5)在本次数值计算中，面板厚度为1.6 mm、蜂窝胞元厚度为0.06 mm、胞元边长为5.0 mm、芯层高度为12.5 mm时分别对应的夹芯板比能量吸收率最高.