折疊式夾芯層結構耐撞性能研究

張延昌 ，王自力 ，張世聯

（1上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030；2江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003）

1 引 言

金屬夾層板結構以優越的力學性能逐步被廣泛應用于航空、航天、船舶和汽車等工程領域[1-4]。金屬夾層板在船舶與海洋工程結構中的應用越來越受到重視，應用于船舶結構具有制造簡單、快捷、結構重量輕、良好的力學性能（疲勞強度、耐腐蝕性、減振、隔聲降噪等性能提高）、制造維修總成本降低等[1，5-6]，應用艦船可以減輕結構重量，同時提高其生命力。美國海軍資助開展了系列研究工作[7-9]，解決夾層板的制造、設計和應用等方面的關鍵技術，為海軍設計高效的艦船結構提供技術支持。

夾層板結構通常由夾芯層結構及上下蒙皮通過焊接或膠接而成，夾芯層結構形式多樣，主要有圓柱、六棱柱金屬薄片、桁架、泡沫鋁、折疊結構等結構形式[1，10]。折疊結構—將平板按有規律的線系網格進行局部褶皺而得到的立體結構。褶皺后的立體結構可看成是由很多小的多邊平面元素形成的具有凹凸表面的結構，元素之間的沿是相互連接的。實際上折疊結構有其自身的成型規律，并不是任意的線系網格都可以作為形成有規律的凹凸折疊結構的線系網格[11]。該結構除了具有比強度高、橫向耐撞性能好、質量輕、隔音降噪等優點外，還具有功能多用、設計靈活、工藝性好等優點，折疊式夾芯層可以設計成等高度，也可設計成變高度結構，還可設計成具有曲度的折疊結構。折疊式夾芯層結構具有特殊的結構特點，在碰撞載荷作用下各金屬利用薄壁塑性變形充分吸收能量，表現出良好的吸能特性，本文在分析折疊式夾芯層結構構造的基礎上，利用非線性有限元MSC.Dytran對折疊式夾芯層結構動態漸進屈曲特性進行數值仿真分析，通過系列仿真試驗分析結構參數對夾芯層結構耐撞性能的影響。

2 折疊式夾芯層構造

折疊式夾層板結構通常由夾芯層結構及上下蒙皮通過激光焊接或膠接而成；夾芯層結構是由平板通過特殊的折疊工藝折疊而成，如圖1所示。（a）圖為常見的折疊式夾芯結構的示意圖；（b）圖為折疊式夾芯結構的平面視圖；（c）圖為折疊式夾芯結構折疊單元；（d）圖為折疊式夾芯結構單元單片柵格板（Tessellated facet）。 折疊式夾芯層結構參數尺寸說明如下：

a為柵格板單元邊長；b為柵格板單元邊長；φ為柵格板單元夾角；l為相鄰夾芯層單元的間距；h為折疊夾芯層高度；tc為夾芯層薄壁板厚；θ為單元中相鄰柵格板的夾角（寬度方向的折疊角）；γ為對稱單元中相鄰柵格板交線的夾角一半（長度方向的張角）；tft、tfb分別為夾層板上、下蒙皮厚度。

折疊式夾芯層結構是按有規律的線系網格進行局部褶皺而得到的立體結構，各參數對一定的夾芯層來說并不是相互獨立的。獨立的參數一般為：柵格板單元尺寸（a、b、φ、tc）、夾芯層高度h（或相鄰夾芯層單元的間距l），因此其它參數可表示成上述參數函數的形式：

另外還有一重要參數—夾芯層相對密度ρc，可表示為：

式中ρ為夾芯層材料的密度。

3 橫向碰撞載荷下的力學行為

本部分利用MSC.Dytran軟件對折疊式夾芯層橫向碰撞載荷作用下的力學性能進行分析。數值仿真分析模型采用剛性重錘撞擊平放在剛性平面上的夾芯層。

3.1 仿真模型

夾芯結構采用對稱邊界條件取一片進行數值仿真分析，模型尺寸選取時考慮結構對稱性特點、計算效率、精度等方面，沿L方向取6個單元，即L=6l；沿W方向取2個單元；其它參數尺寸見表1。夾芯層結構有限元模型如圖2所示。剛性重錘質量10kg，初速度10m/s。

夾芯層材料為鋁，考慮材料應變率敏感性、材料應變硬化影響；重錘和剛性墻采用剛性材料。夾芯層薄壁和剛性墻模型采用4節點四邊形板殼單元，撞擊重錘模型采用8節點六面體單元；夾芯層薄壁與重錘、剛性墻之間都采用自適應主從接觸，夾芯層薄壁采用自適應自接觸。

表1 折疊式夾層板尺寸參數Tab.1 The dimension of folded structure sandwich panel

3.2 計算結果

（1） 試件變形

本發明公開了一種高耐藥性和耐熱性合金銅箔的鍍液和制備方法，鍍液包括氯化鋅、氯化鎳、氯化鉀、緩沖劑、配位劑、表面活性劑和輔助添加劑。配位劑為檸檬酸、酒石酸、磺基水楊酸和/或氨基磺酸及其鹽；表面活性劑為十二烷基磺酸鈉和/或十二烷基硫酸鈉；輔助添加劑為胡椒醛、氯苯甲醛、肉桂醛、抗壞血酸、苯甲酸和煙酸、木質素磺酸鈉、芳香烯酮和/或苯乙基酮；鍍液至少包括7種以上的化合物。用本發明制造的銅箔鍍層細密、平整、光亮的鍍層；銅箔具有較高的熱力學穩定性，鋅鎳合金鍍層還具有良好的耐高溫腐蝕性，可用于高密度、多層化、細線路印制線路板的制造。

圖3反映了折疊式夾芯層結構在橫向受沖時的漸進屈曲過程。從圖中可以看出：①該圖很好地反映了折疊式夾芯層在橫向碰撞載荷作用下的漸進屈曲過程，夾芯層結構每個折皺變形對應載荷歷程曲線的一個加/卸載過程；②由于夾芯層與剛性墻之間定義了摩擦，夾芯層結構各柵格板的變形基本一致，其變形模式與L型交叉型構件軸向壓皺屈曲變形模式[5]基本一致，柵格板發生面內褶皺屈曲，柵格板之間在長度方向、高度方向分別產生塑性鉸，W方向柵格板相交區域產生膜拉伸變形。

（2）載荷及能量吸收

圖4為試件壓皺力—位移曲線，該曲線很好地反映了結構橫向漸進屈曲特性。首先開始階段載荷迅速增加并很快達到極值，隨后載荷迅速下降達到極小值（試件LP2比較明顯），隨后進入相對波動較小的平臺區，當壓皺位移達到有效行程時載荷隨位移增加上升，這時夾芯層被完全壓皺；試件LP1、LP3載荷曲線中的極值載荷、平均載荷都較為接近，遠小于試件LP2的壓皺力，說明夾芯層壁厚對壓皺力有顯著的影響。

圖5為試件的能量吸收—位移曲線。從該曲線可看出：三試件的能量吸收隨位移變化趨勢相似，開始階段能量隨位移增加較為迅速，主要由于結構的極限壓皺載荷較大；隨后的絕大部分結構的吸能隨位移呈線性增加，這是由子結構的壓皺載荷進入平臺區所致，同時也說明該結構具有較好的吸能特性；試件LP1、LP3的能量吸收曲線較為相近。

從表1計算結果可看出：夾芯層密度、壁厚是影響結構平均壓皺強度、比能的主要參數；對于夾芯層密度相同構件其平均壓皺強度、比能也不同，說明夾芯層邊長、高度等參數對結構平均壓皺強度、比能有一定的影響；從試件LP1、LP2結果可看出夾芯層壁厚對平均壓皺強度的影響比對比能的影響要大得多。

通過以上三試件的分析可得：①折疊式夾芯結構壓皺力較平穩，并且有效行程較長，因此該結構具有良好的吸能特性，可用作吸能單元提高結構的吸能；②橫向受沖折疊式夾芯層的耐撞性能受結構尺寸參數（夾芯層壁厚、柵格板單元尺寸、夾芯層高度等）影響。

4 折疊式夾芯結構尺寸參數對耐撞性能的影響

本部分分析各結構尺寸參數對結構耐撞性能的影響。折疊式夾芯結構各參數之間有一定的關系，5個相互獨立的參數可取：柵格板單元尺寸（a、tc）、夾芯層高度 h（或 b）、單元半張角 γ（或 φ）、相鄰柵格板的夾角θ。

4.1 柵格板單元邊長a對耐撞性能的影響

圖6、7分別為夾芯層結構的比能（單位質量結構的能量吸收）、平均壓皺強度隨邊長a變化曲線。從兩圖可看出不同邊長的試件的比能及平均壓皺強度存在明顯的差別，夾芯層結構的比能、平均壓皺強度都隨著邊長的增加而減小，張角γ相同的各組試件中邊長a=20mm對應試件的比能、平均壓皺強度均最大；邊長相同對應的不同張角的各組試件中結構的比能、平均壓皺強度均不相同，而且邊長越小張角對結構的比能、平均壓皺強度的影響越大，也就是說a=20mm對應不同張角試件之間的比能、平均壓皺強度差別最大，隨著邊長的增大張角不同對結構的耐撞性能的影響變小。

以上計算結果分析得到的現象可解釋為：折疊式夾芯層結構橫向受壓時，撞擊能量主要有柵格板的塑性變形（產生塑性鉸）以及柵格板單元L型交叉截面附近的三角區域的塑性變形（變形主要有面內的膜拉伸、塑性鉸）所吸收，而且柵格板單元L型交叉截面附近三角區域吸收的能量是吸能主要組成部分。柵格板單元邊長導致不同張角的L型交叉截面吸收的能量在總吸能中所占的比例不同，隨著張角的增大L型交叉截面處的三角區域變小，當γ=90°時三角區域消失，結構吸能完全由塑性鉸吸收。很顯然在邊長a=20mm的試件中L型交叉截面總吸能較高；在邊長a=70mm的試件中L型交叉截面總吸能較低。

4.2 單元半張角γ對耐撞性能的影響

圖8、9為折疊式夾芯層結構比能、平均壓皺強度隨張角變化關系曲線。從該圖可看出結構的平均壓皺強度隨著張角的增加而減小，張角γ=20°時結構的平均壓皺強度最大，張角γ=70°平均壓皺強度最小；張角增加不同邊長間的平均壓皺強度靠近，表明張角不同時邊長對結構耐撞性能的影響不同；從圖9可看出：張角變化對結構的比能有顯著的影響，而且邊長越小張角變化對結構比能的影響越明顯，邊長a=20mm試件變化張角對結構比能的影響最明顯，而邊長a=70mm試件變化張角對結構比能的影響很小；另外，當張角在40°～60°范圍時結構的比能明顯高于其他范圍內的值，因此折疊式夾芯層結構存在較優的柵格板張角γ使得結構的比能最大。

綜合上述計算分析結論，同時考慮到結構的工藝性，對于參數為 b=30mm、tc=0.2mm、hc=29mm、θ=29.7°的折疊式夾芯層結構繪制圖10，圖10反映了柵格板的邊長a、張角γ推薦取值范圍。A區表示推薦參數區域；B區表示可以考慮作為折疊式夾芯層結構折疊參數，但要慎重考慮；C、D、E、F 區都為不可取區域，C 區由于該區域的張角過小使得W方向的材料過度累積，該方向的剪切強度遠高于L方向，導致耐撞性為不穩定；D區由于柵格板單元邊長尺寸太小，加工制造困難；E區由于張角過大使得L方向的材料過度累積，該方向的剪切強度遠高于W方向，導致耐撞性為不穩定，并且張角過大能量吸收能力下降；F區由于柵格板邊長過大能量吸收能力下降，效率較低。

4.3 夾芯層結構壁厚tc對耐撞性能的影響

本部分試件中同組數據中變化單元邊長tc=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6mm，不同組數據中變化半張角γ=45°，對應于半張角的各組數據中單元邊長取 a=20，30，40，50，60mm，其它參數：b=30mm、hc=29mm、θ=29.7°。計算分析結果如下：

圖11、12分別為折疊式夾芯層結構比能、平均壓皺強度隨柵格板厚度變化曲線。從該曲線上可看出：不同邊長的夾芯層結構的比能隨柵格板壁厚變化曲線形狀相似；比能隨柵格板壁厚的增加而增加，相同結構尺寸的夾芯層板厚越大比能越高；比能與柵格板厚度的關系近似于冪函數，其中指數小于1。從該仿真結果上來講，柵格板的板厚越大結構的比能越高，但板厚與邊長之比過小時，夾芯層結構超出了薄板的范圍，該仿真方法的計算結果誤差增加，甚至失真。

4.4 夾芯層結構高度hc對耐撞性能的影響

本部分試件中同組數據中變化夾芯層高度hc=10，20，30，40，50mm，不同組數據中變化半張角γ=45°，對應于半張角的各組數據中單元邊長取ai=20，30，40mm，夾芯層結構壁厚取tc=0.2mm，參數：θ=29.7°。計算分析結果如下：

圖13、14分別為折疊式夾芯層結構比能、平均壓皺強度隨高度變化曲線。從圖13、14可看出，平均壓皺強度、比能都隨著夾芯層結構高度hc的增加而減小；夾芯層高度對耐撞性能的影響明顯分為兩個階段：當夾芯層高度小于20mm時，變化夾芯層高度對結構平均壓皺強度的影響顯著，即增加夾芯層高度平均壓皺強度迅速減小；當夾芯層高度大于20mm時，夾芯層平均壓皺強度雖然隨著高度的增加而減小，但減小速率明顯降低，表現在曲線較為平坦。產生這種現象的原因在于：夾芯層密度是影響夾芯層結構耐撞性能的重要因素，而夾芯層高度不是影響夾芯層密度的關鍵參數；同時蒙皮板對不同高度夾芯層的相對約束不同。

5 結 語

本文利用非線性有限元分析了折疊式夾芯層結構在橫向受沖時的漸進屈曲過程，通過分析結構吸能、平均壓潰強度以及結構參數的影響，得出結論如下：

（1）新式折疊式夾芯層結構具有良好的吸能特性，是良好的吸能單元。可以作為高效的吸能單元用于耐撞結構或防護結構，提高結構的耐撞性能及防護性能。

（2）折疊式夾芯層結構參數對結構耐撞性能（比能、平均壓皺強度）有不同程度的影響；本文通過系列分析各參數對耐撞性能的影響，得到一些結論可用于指導折疊式夾芯層結構設計；通過結構參數優化研究可進一步提高結構的吸能特性。

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