蜂窝夹芯板在高速冲击下的动态响应研究

胡方靓 余 晟

（1.中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001；2.海装武汉局驻南昌地区军事代表室，江西南昌 333000）

0 引言

直升机由于其具有平移飞行、悬停飞行和垂直起降的能力，使其成为所有飞行器中用途最广泛的类型之一[1]。迄今为止，直升机已经广泛应用于军事和民用领域，然而，近几十年来，直升机安全问题越来越受到关注。对直升机事故调查发现，飞机耐撞性被视为关键问题之一。但直到越南战争时期才引起足够的重视，第一批优先考虑防撞设计的是UH-60 黑鹰和AH-64 阿帕奇直升机[2]。在之后的开发中，耐撞性设计变得越来越重要。而在各种典型的能量吸收结构中，蜂窝结构由于具有高比强度、比刚度和显著的能量吸收性能，在大多数工程领域得到了广泛应用[3]。迄今为止，在耐撞性研究中，人们开发了许多蜂窝夹层结构来提高能量吸收能力。

目前Sun 等人[4]研究了基于一阶和二阶顶点的分层蜂窝的平面外耐撞性行为。结果表明，一阶和二阶蜂窝的比能量吸收分别提高了81.3%和185.7%，而峰值力没有增加太多。Ma 等人[5]研究了仿生自相似规则分层蜂窝在面外冲击载荷下的耐撞性。分层单元组织可以加强材料强度，从而提高抗压强度和能量吸收能力。湖南大学[6]和东南大学团队[7]关于蜂窝夹层结构几何属性对其抗冲击的影响有了系统性的研究。

但是，直升机在飞行过程中往往遭受高速冲击，而在这方面的研究目前还相对较少。所以本文通过ABAQUS建立了蜂窝夹芯结构的有限元模型，并模拟了破片侵彻夹芯结构的过程，分析了在破片高速贯穿夹芯板时，结构各部分的损伤情况。并进一步对比了各部分参数的变化对其吸能的影响，旨在进一步了解夹芯结构的面板、芯层的参数和夹芯板耐撞性之间的关系。

1 数值仿真模型及参数设置

有限元模型分为夹芯结构和破片，其中夹芯板的结构如图1 所示，前后面板为边长150mm 的正方形，厚度1mm；芯层采用边长为4mm，厚度为0.07mm 的正六边形蜂窝，高度为15mm。破片采用球型破片，其直径为12mm，质量为7.05g。由于主要研究夹芯板的动态响应过程，所以不考虑破片自身的变形情况，将破片设置为钢体结构。

图1 模型结构示意图

在ABAQUS 中，网格的数量决定了计算结果的准确度以及计算的速度。综合考虑下，仅在夹芯板与破片接触区域进行网格的局部细化，细化后的尺寸为0.5mm，其余地方采用渐变的方式，如图2 所示。模型的边界条件为刚性固定，面板和芯层之间的接触关系设定为Tie 接触，破片和夹芯结构之间的碰撞关系设定为通用接触，其中法线方向为硬接触，切线方向为摩擦接触，系数为0.3。

图2 网格情况和边界条件定义

在本次数值仿真中，面板的材料为5052 铝，芯层的材料为3003 铝，在ABAQUS 中的塑性模型和失效模型选用Johnson-Cook 本构方程[8-9]。公式如下。

式中，材料参数的值取自《国际冲击工程》中公布的数据[9]，具体的参数如表1 所示。

表1 材料属性

2 数值计算方法的验证

为了验证数值仿真方法的合理性，本文将仿真结果同Sun 等人[10]的试验结果进行对比。如图3 所示，夹芯板的尺寸与模型中选用的保持一致。在试验过程中，夹芯板分别在76.2m/s、138m/s、172.4m/s 3 种速度下出现了前面板凹陷、破片反弹、前面板被贯穿，破片陷入芯层中和前后面板均被贯穿3 种毁伤形式。所以在数值仿真中也将破片模拟了这3 种速度，能更为准确地验证ABAQUS 仿真结果的合理性。

图3 侵彻试验装置

破片在数值仿真和试验过程中的剩余速度结果如表2所示，对比分析可得，ABAQUS 基本上能够模拟出破片冲击夹芯板后的剩余速度。由于在制造夹芯板时，面板和芯层之间采用胶水粘连的工艺，从而会多一层黏合层，并且试验中螺栓固定的程度并非完全刚性固定。而在有限元模型中为理想状态。因此在入射速度较小时，仿真结果与试验结果有一定的误差，但在入射速度增大时，其影响均会减小。

表2 破片剩余速度对比

夹芯板的面板毁伤情况如图4 所示，通过对比试验和仿真的面板变形结果来看，ABAQUS 能够较好地模拟夹芯板面板的破坏情况。在侵彻速度为76.2m/s 时，面板仅出现凹陷变形，其变形的挠度大小基本上与试验结果一致；在侵彻速度为138m/s，部分穿透；在侵彻速度为172.4m/s 时，完全穿透；从贯穿破孔孔径来看，其数据也十分接近。所以，可以使用ABAQUS 来对夹芯板的毁伤情况进行有限元分析。

图4 前后面板的毁伤情况结果对比

本文主要研究夹芯结构的抗高速冲击性能，所以选用完全贯穿的夹芯板毁伤情况进行对比，如图5 所示。在破片完全侵彻夹芯板时，前面板收到侵彻而破碎，冲击区域的芯层被完全破坏，远离冲击区域的芯层受到挤压屈曲变形，并与后面板出现脱粘，而这些破坏情况在数值仿真中也得到了体现。综合3 种情况，说明可以使用ABAQUS来仿真夹芯结构在高速破片侵彻下的动态响应过程。

图5 夹芯板毁伤破坏情况（左：试验结果，右：有限元模型）

3 计算结果与分析

3.1 物理过程分析

数值仿真比起试验能够更为直观地观察夹芯板内部的毁伤过程。如图6 所示，当破片首先撞击到前面板时，使面板冲塞变形。同时面板挤压芯层使芯层出现屈曲破坏，并与前面板发生挤压破坏。随后后面板遭到贯穿，形成充塞孔，附带周围相连的芯层受到撕裂而出现“脱粘”。但同时，远离冲击位置的部分仍保持完整的结构，破片对夹芯板的毁伤影响能力仅存在于冲击区域内。

图6 破片侵彻物理过程

3.2 能量吸收特性

从图7 中可以看出，整个破坏过程均遵循能量守恒定律，破片的动能转换为了夹芯板的塑性应变能。在3 种速度的破片侵彻下，由于夹芯板的毁伤情况不同，夹芯板各部分吸收的能量不同，主要是当速度较低时，后面板并未参与整体抗冲击过程，所以其几乎不吸收能量，而前面板由于发生变形较大，所以其吸收的能量也始终最多，而随速度的增大，后面板参与抵抗冲击后，其吸收的能量就超过了芯层。

图7 夹芯板能量吸收时程曲线

结合图7 与图4 可知，夹芯结构的吸能情况与其自身的毁伤情况有关，说明夹芯板是通过塑性应变吸收破片的动能，而芯层的存在连接了前后两个面板，使其整体参与抵抗破片的冲击，因此，可以推断夹芯板的抗冲击性能优于两块面板单独抵抗。但由于在高速冲击下，夹芯板的破坏是局部性破坏，所以面板仍然是抗冲击的主要部分。

数值仿真可以改变破片侵彻的速度，通过数值仿真设置了一系列不同侵彻速度下的夹芯板吸能情况对比，如图8 所示。从中可以看出，当破片贯穿结构后，结构的吸收能量就达到了极值，此时再增加入射速度，并不会对结构的吸能情况造成影响，相反入射速度越快，其破坏范围越集中，芯层所贡献的抗冲击性能效果反而有所降低。而前后面板均产生冲塞孔的毁伤情况，所以其吸收能量基本保持一致。

图8 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

弹道极限速度表示破片完全贯穿目标所需要的最小冲击速度[11]，因此，在本次研究中将其作为评价夹芯板抗高速冲击能力的标准之一。通过在ABAQUS 中修改各部位的参数，得到了夹芯板在面板、芯层在不同几何参数下的弹道极限速度，如图9 所示。从中可以看出，作为主要抗冲击的面板，随着厚度的增加，弹道极限速度也跟着增加。而改变芯层的几何参数，则对抗冲击性能影响较小。增加胞元壁厚和减小胞元边长等效于提高了破片粉碎芯层所需要的动能，使得更多的芯层参与抗冲击作用，所以在一定程度上提高了弹道极限速度，但是影响很小，而增加芯层高度则几乎没有影响。

4.2 几何参数对能量吸收的影响

为了研究高速冲击下夹芯板的动态响应，在ABAQUS中将破片的速度设置为250m/s，实现所有工况下夹芯板均完全贯穿。得到的结果如图10 所示，当面板厚度增加时，面板自身对破片动能的吸收也会增加，同时破片侵彻面板后的速度会降低，从而使结果更趋近于低速冲击，带动更多的芯层参与抵抗破片的侵彻，从而提高了夹芯板整体结构以及各个部分的能量吸收效率。而仅改变芯层参数时，因为芯层自身结构强度很弱，在完全贯穿的情况下，芯层相对于面板影响很小，所以即使改变芯层的几何参数，也因为自身比重太低而对整个结果影响很小。

图10 蜂窝夹芯板的能量吸收结果

4.3 几何参数对比吸能的影响

在直升机的结构设计过程中，重量是不可忽略的元素，这就要求应用于直升机上的结构尽可能满足轻量化设计。所以在研究夹芯板的抗高速冲击性能时，也需要考虑质量对吸能效果的影响，比吸能则是一个重要的指标。如图11 所示，增加了质量因素之后，得到了不同几何参数下蜂窝夹芯板的比吸能结果。从前文研究可得，增加面板厚度能够提高夹芯板的吸能效率，但同时也会增加夹芯板的重量，而从图11（a）可以看出，当面板厚度增加超过1.6mm 之后，再增加厚度，反而比吸能开始降低，这说明此时吸能效率的增加开始小于质量的增加。而改变芯层的几何参数，对结构的质量和吸能都影响较小，所以整体的结果变化不大，但从图11（b）、11（c）、11（d）中也能看出，在波动的状态下也能有一个比吸能较高的结果。

图11 蜂窝夹芯板的比吸能结果

综合研究弹道极限速度、吸能情况以及重量的因素可以得出，蜂窝夹芯板的抗高速冲击能力主要与面板有关，最直接提高防撞能力的方法就是增加面板的厚度，但同时增加面板厚度会使夹芯结构质量也随之增加，增加到一定程度之后反而会降低吸能效率。而芯层对夹芯板抗高速冲击的性能影响较弱，所以改变芯层的几何参数对整体抗冲击作用也影响较小。

5 结语

本文通过ABAQUS 建立了蜂窝夹芯结构的有限元模型，对其抗高速冲击性能进行了数值仿真研究，得出以下几点结论。

（1）与低速冲击不同，高速冲击下的蜂窝夹芯板主要的毁伤情况是前后面板形成冲塞孔，芯层结构出现变形，并且冲击区域的芯层会与面板完全脱粘。（2）破片在高速冲击的过程中，蜂窝夹芯板通过自身的塑性应变来吸收破片的动能，所以在贯穿整体后，前后面板的破坏形式一致，变形一致，吸能量也比较接近。（3）在抗高速冲击时，起主要作用的是夹芯板的面板，所以直接提高夹芯结构的抗高速冲击性能的方式就是增加面板厚度，但结合轻量化设计时，则需要考虑质量对其的影响。（4）芯层虽然对夹芯板在低速冲击下的防护性能有影响，但夹芯结构在高速冲击过程中，由于损伤更为局部化，而芯层自身在夹层结构中占比较低，所以改变其几何参数对整体效果影响较少。