水下沖擊波作用的鋁合金蜂窩夾層板動力學響應研究

任　鵬， 張　偉， 劉建華， 黃　威

(1.江蘇科技大學 船海學院，江蘇　鎮江　212000； 2.哈爾濱工業大學 高速撞擊研究中心，哈爾濱　150080)

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水下沖擊波作用的鋁合金蜂窩夾層板動力學響應研究

任鵬1,2， 張偉2， 劉建華1， 黃威2

(1.江蘇科技大學 船海學院，江蘇鎮江212000； 2.哈爾濱工業大學 高速撞擊研究中心，哈爾濱150080)

摘要：為研究鋁合金蜂窩夾層板水下爆炸沖擊波載荷作用的動態響應及抗沖擊性能，利用非藥式水下爆炸沖擊波加載裝置對氣背固支5A06鋁合金夾層板及具有相同面密度的單層板進行水下沖擊波加載試驗。利用高速相機結合三維數字散斑技術(DIC)對夾層板后面板動態響應進行實時測量，獲得夾層板氣背面受水下沖擊波作用的動態響應歷程及變形毀傷模式，比較分析鋁合金蜂窩夾層板抗沖擊防護性能。結果表明，較相同面密度的單層板，蜂窩夾層板受水下沖擊波載荷作用的芯層壓縮能有效減少氣背面板的塑性變形，提高夾層結構整體抗沖擊性能。

關鍵詞：固體力學；水下沖擊波；蜂窩夾層板；抗沖擊性能；數字圖像相關方法

水下沖擊波防護能力作為艦艇及民船設計建造中不可忽略重要因素一直成為研究重點。隨材料及結構工藝水平提高，夾層結構板的吸能防護優勢逐漸凸顯，并頗受關注[1-2]。如Fleck等[3-5]對具有不同面密度的多種芯層類型夾層結構板進行水下爆炸沖擊波加載實驗，并總結夾層結構板受沖擊載荷作用時考慮不同夾層結構的變形特點。Dharmasena等[6]對不同芯層的固支夾層結構板進行水下爆炸沖擊波加載實驗，分析相同面密度下5類結構的抗沖擊防護性能。Xue等[7]對相同質量蜂窩夾層板及單層板進行水下爆炸沖擊波加載實驗，不考慮斷裂問題前提下研究面板及芯層厚度、相對密度及芯層曲率對夾層板結構抗沖擊能力影響。Shukla等[8]對夾層板結構受沖擊載荷作用的能量吸收及反射進行實驗室內試驗研究，在考慮二次壓力脈沖加載下分析芯層密度及芯層與面板連接方式對結構整體吸能影響。受實驗設備等條件限制，汪玉等[9-10]對該類問題研究主要基于數值仿真方法。趙隆茂等[11]對夾層結構抗爆防護性能研究主要集中在空氣爆炸條件。

本文利用非藥式水下沖擊波加載技術對氣背固支蜂窩夾層板受沖擊波作用的動態響應及抗沖擊防護性能進行實驗研究，以期為我國現代化艦艇的輕型防護結構設計提供參考。

1實驗方法

1.1非藥式水下爆炸沖擊波加載

Cole等[12]據大量實驗結果總結出不同質量及起爆距離的水下沖擊波強度計算公式，并獲得爆炸沖擊波衰減規律，即

p(t)=p0e-t/t0

(1)

式中：p(t)為加載任意時刻沖擊波峰值；p0為沖擊波初始峰值；t0為沖擊波衰減時間常數。

為能在實驗室內實現對目標結構的水下爆炸沖擊波加載，設計制造出非藥式水下爆炸沖擊波加載實驗裝置，見圖1。通過一級輕氣炮發射金屬飛片正撞擊加載水艙端部活塞進行驅動。據聲學近似原理，飛片正撞擊活塞后在水艙x=0處產生呈指數型衰減沖擊波，并沿x向傳播，實現對目標靶板加載[13-14]。Espinosa等[15]均已驗證該方法的有效性，并利用該項水下爆炸沖擊波加載技術進行研究。

圖1　非藥式水下爆炸沖擊波加載實驗裝置Fig.1 Experimental setup of non-explosive underwatershock loading

本文實驗所用主加載水艙長500 mm，內徑66 mm，艙壁厚12 mm。壓力傳感器分別安裝于主加載水艙中點及距靶板20 mm處。測試靶板由6個M10螺栓與加載水艙連接，為防止沖擊過程中螺栓孔徑向出現過大拉伸變形導致靶板面內位移，在靶板外側增加7 mm厚高強度環形夾具，防止靶板因面內位移產生變形異常。

實驗用飛片及活塞材料均為45號鋼，飛片厚10 mm、活塞厚23 mm時，標定獲得加載到靶板的水下沖擊波強度與飛片速度關系為

p0=kρwcwvf

(2)

式中：k=0.44為常數；ρw為水密度；cw為水中聲速；vf為飛片撞擊速度。

沖擊波衰減時間常數僅與飛片及活塞質量有關，通過調整飛片撞擊速度可改變著靶沖擊波強度，調節作用于靶板的沖擊波沖量。

1.2實驗試件

本文所用蜂窩夾層結構板基體材料為5A06鋁合金，其芯層為正六邊形布局，夾層板前、后面板厚均0.8 mm，芯層厚hc=19.4 mm，夾層板芯層蜂窩壁厚tc= 0.025 mm，六邊形拓撲結構邊長l=6 mm，夾層板前、后面板分別用環氧樹脂與芯層膠合，組合后蜂窩夾層板總厚為21 mm，見圖2(a)。實驗時將該夾層板切割成直徑160 mm圓形，制作完成的蜂窩夾層板面密度約5.3 kg/m2，見圖2(b)。

圖2　蜂窩夾層板尺寸及邊界條件Fig.2 Sketches of the honeycomb sandwich panel and clamped boundary condition

1.3靶板塑性大變形實時測量

水下爆炸沖擊波載荷作用的目標結構動態響應實時測量為深入研究艦艇典型結構失效毀傷的重要基礎。傳統水下爆炸加載實驗由于條件限制，只能檢測加載后試件進行相關實驗數據收取。隨非藥式水下爆炸沖擊波加載技術發展，相關實驗條件得到較大程度改善，使對靶板進行動態變形實時測量成為可能。榮吉利等[16-17]已驗證該方法的可行性。本文利用非藥式水下沖擊波加載技術結合非接觸式數字散斑測量對氣背固支蜂窩夾層板的動態響應進行實時測量。

實驗用非接觸式3D-DIC軟件為精確度最高、使用范圍最廣的Correlated Solutions公司VIC-3D，圖像采集為兩臺可最高1000 000 幀/s拍攝的Photron-Fastcam-SA5高速相機。本實驗選50 000 幀/s幀率進行拍攝，光源系統用4個1 000 W攝影燈。

2實驗結果與分析

2.1蜂窩夾層板水下沖擊波加載

各實驗工況對應實驗參數見表1。由表1看出，靶板塑性變形后最大無量綱撓度隨飛片撞擊速度增加而增加，但在該工況范圍內靶板未見破裂。水下爆炸沖擊波無量綱沖量及加載沖量分別為

(3)

(4)

式中：H為靶板初始厚度；ρt為靶板密度；σy為靶板屈服應力。

表1　5A06鋁合金蜂窩夾層板受不同沖擊波載荷作用試驗參數

水下沖擊波加載后夾層板典型變形見圖3。此時沖擊波無量綱沖量為2.63。由圖3可見，蜂窩夾層板前、后面板均無明顯破壞損傷，但前面板即與水接觸的面板呈較大塑性變形；前面板螺栓孔呈明顯拉伸變形，后面板螺栓孔保持良好。由文獻[7]知，固支夾層板受水下沖擊波載荷作用時前面板除呈面外位移外亦會有一定程度面內位移，會致低估夾層板吸能防護性能。

圖3　水下沖擊波加載后鋁合金蜂窩板形貌Fig.3 The aluminium alloy honeycomb sandwich panel after test

2.2夾層板動態響應

利用非接觸式數字散斑測量所得夾層結構氣背面板動態響應歷程見圖4。飛片撞擊速度為165.78 m/s，零時間點為靶板運動起點。由圖4可見，夾層結構后面板受沖擊波作用后變形，但未現明顯塑性鉸階段，即平臺現象未出現。靶板中心區域直接突起變形，但形狀在變形初期并非完全對稱，此因在沖擊波作用下，前面板擠壓芯層，芯層在變形初始階段壓縮不均勻所致；隨沖擊波加載，蜂窩夾層板后面板逐漸突起為類球冠形，中心點最終變形撓度約3.88 mm。

圖4　沖擊波作用下窩蜂夾層板后面板實時變形Fig.4 The visualization of real time measurement of out-plane displacement for honeycomb sandwich panel under underwater shock loading

圖5為飛片撞擊速度165.78 m/s時鋁合金夾層板氣背面板x方向拉應變場分布。由圖5可見，最大應變位置在靶板中心區域，近似圓形分布，說明夾層板后面板變形均勻。

圖5　后面板應變場分布Fig.5 The strain fields of back plate

圖6　蜂窩板后面板中心點位移隨時間變化曲線Fig.6 The center deflection of air-back plate of honeycomb sandwich panel

以上工況下非接觸式測量的蜂窩夾層后面板中心點變形歷程見圖6。由圖6可見，后面板變形初始階段即小于0.1 ms時，靶板變形量較微小，僅0.3 mm，此因沖擊波作用到前面板后會壓縮中間蜂窩芯層，芯層在自身壓潰的同時會對后面板產生輕微擠壓所致；在0.1～0.35 ms之間時靶板中心點面外位移急劇增大，此因夾層板內部芯層被前面板壓潰后，剩余沖擊波沖量通過前面板及已壓縮芯層共同作用所致；后面板中心點面外位移達最大值后，該點塑性變形趨于穩定，僅剩余小幅彈性振顫。

圖7　沖擊波加載后5A06鋁合金蜂窩板切面形貌Fig.7 Cross-section of 5A06 aluminium alloy honeycomb sandwich panels after underwater shock loading

2.3蜂窩夾層板抗沖擊防護性能

為進行5A06鋁合金夾層板抗沖擊性能對比研究，對5A06鋁合金單層板進行不同工況的水下沖擊波加載實驗。鋁合金蜂窩夾層板平均面密度為5.29 kg/m2(表1)，為保證兩種結構板的可比性，實驗選單層鋁合金厚度為2 mm，平均面密度為4.90 kg/m2。其它參數與蜂窩夾層板實驗相同，具體見表2。

表2　5A06鋁合金單層板受不同沖擊波載荷作用試驗參數

工況2、5的鋁合金單層板變形失效模式見圖8。由圖8可見，單層鋁板在沖擊波作用下變形均勻，但隨沖擊波強度增加，在環形夾具內邊緣約束位置靶板呈邊界剪切撕裂現象。當沖擊波進一步加大時靶板受沖擊部分會整體撕裂脫落，螺栓孔形狀保持良好，說明本文所用固支邊界條件能達到要求。

圖8　5A06鋁合金單層板變形形貌Fig.8 Deformation of 5A06 aluminium alloy single panels subjected to underwater shock loading

水下沖擊波載荷作用下5A06鋁合金蜂窩夾層板前、后面板中心最大變形見圖9。由圖9可見，靶板前、后面板最大撓度均隨沖擊波無量綱沖量增加而增加，且均近似線性關系，但前面板最大撓度隨載荷增加幅度明顯大于后面板。此因蜂窩夾層板芯層壓潰吸能作用對后面板起到保護，阻止后面板大變形產生。后面板變形小亦說明蜂窩夾層整體抗沖擊效果。

由于靶板在變形過程中氣背面中心點面外位移量最大，因此該點變形量大小直接決定抗沖擊性能。本文研究工況范圍內相同面密度下單層5A06鋁合金板及鋁合金蜂窩夾層結構板氣背面中心處最大塑性變形與沖擊波無量綱沖量關系曲線見圖10。由圖10可見，兩種結構板后面板中心點變形量隨沖擊波沖量變化趨勢基本相同，但在相同沖量作用下單層板最終變形量遠大于蜂窩型夾層板。說明以5A06鋁合金為基體材料的單層板及鋁合金蜂窩夾層板，面密度相同條件下蜂窩夾層板抗沖擊作用遠強于單層板。

由以上分析知，單層板及蜂窩夾層結構板氣背面中心點變形量均與沖擊波無量綱沖量呈線性關系，即

(3)

由圖9知，兩種類型靶板的η值均為零時可分別擬合得出對應的γ值，其對比見圖11。由圖11看出，γ越大的靶板抗沖擊能力越弱。由此可求出蜂窩夾層結構相對相同面密度單層靶板能提高的抗沖擊性能，5A06鋁合金蜂窩夾層抗沖擊性能較單層板增加77.34%。

圖9 蜂窩板前后面板最大變形與沖擊波無量綱沖量關系Fig.9Relationbetweenimpulseandmaximumdeflectionofhoneycombsandwichpanels圖10 相同面密度不同類型靶板氣背面中心最大變形與沖擊波沖量關系Fig.10Relationbetweennon-dimensionalappliedimpulseandmaximumdeflectionofmiddlepointatair-backplateofdifferentkindofpanels圖11 兩類靶板抗沖擊防護性能比較Fig.11Comparisionofshockresistanceoftwodifferenttypeoftargetplates

3結論

(1) 利用自行設計的非藥式水下沖擊波加載裝置結合數字散斑技術，對相同面密度的氣背固支5A06鋁合金蜂窩夾層板及單層板受沖擊波作用的抗沖擊防護性能進行實驗研究。獲得蜂窩夾層結構板氣背面板動態響應特點，并實現對氣背面板動態變形過程的實時測量。

(2) 沖擊波無量綱沖量小于3時夾層結構氣背面板最大擾度與沖擊波無量綱沖量成線性關系；相同面密度蜂窩夾層結構板抗沖擊能力較單層板可提高77.34%。

參 考 文 獻

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基金項目：國家自然科學基金項目(11372088;51509115)；江蘇省高校自然科學研究面上項目資助(15KJB580005)；江蘇科技大學學科立項建設項目資助

收稿日期：2014-10-17修改稿收到日期：2015-01-13

中圖分類號:O347

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.02.002

Dynamic analysis of aluminium alloy honeycomb core sandwich panels subjected to underwater shock loading

REN Peng1,2, ZHANG Wei2, LIU Jian-hua1, HUANG Wei2

(1. Jiangsu University of Science and Technology, School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Zhenjiang 212000,China；2. Harbin Institute of Technology, Hypervelocity Impact Research Center, Harbin 150080,China)

Abstract:The dynamic responses and blast resistant properties of 5A06 aluminium alloy honeycomb core sandwich panels were investigated under impulsive loading in water. Underwater shock loading experiments for clamped aluminum alloy honeycomb core sandwich plates were conducted with a non-explosive underwater explosion shock loading device. Compared with the experimental results of monolithic panels with equivalent mass per unit area, the effects of sandwich panel structures on anti-shock performance were studied based on the experiments of underwater shock loading. The dynamic deformations of the air back plates with sandwich structure were measured in real-time by using the combined technique of high-speed cameras and 3D digital speckle correlation method (DIC). The dynamic response histories and failure modes of clamped air-back sandwich plates were observed to compare the blast resistant properties of aluminium alloy honeycomb plates with monolithic plates. The experimental results show that the blast resistant property of honeycomb structure plates can be effectively improved due to the core compression as compared with monolithic panels with equivalent mass per unit area.

Key words:solid mechanics; underwater shock wave; sandwich plate with honeycombs; blast resistant properties; digital image correlation

第一作者 任鵬 男，博士，講師，1984年3月生