基于落錘裝置的蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性

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蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)、成型性能和成本優(yōu)勢，近年來在航空航天、船舶、交通運輸、機械等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1-4]。蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)由上、下各層面板以及中間的蜂窩夾芯組成，中空的結(jié)構(gòu)方式使其在空間占用方面具有較強的優(yōu)勢。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)除了具有比剛度大、 比強度大以及耐壓強的特點外， 還具有穩(wěn)定的減震、 保溫和良好的隔音、 阻燃性能。 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的芯子主要是紙、 金屬、 高分子材料等， 在實際應(yīng)用過程中， 一般承受多為沖擊載荷的面外壓力， 因此關(guān)于其動力學(xué)特性的研究尤為重要[5-15]。 鑒于此， 本文中利用落錘實驗裝置結(jié)合有限元仿真對蜂窩鋁材料的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1　實驗及結(jié)果分析

為了保證實驗的有效性，每種試樣均準(zhǔn)備3個。實驗中使用的蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)所用材料為3003型鋁合金，整體外觀尺寸為60 mm×60 mm×20 mm(長度×寬度×高度)，其中蜂窩芯子高度為18.4 mm，上、下面板厚度均為0.8 mm，蜂窩胞元級別的規(guī)格為0.03 mm×2 mm(壁厚×邊長)。

由表4可知，在相同負(fù)荷量和架空線型號的情況下，第④種配網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ图础柏?fù)荷全部集中于10 kV中壓線路的末端”時最大允許供電半徑最小，即在該種情形下線路輸送電能的能力最弱，認(rèn)為是“木桶效應(yīng)”中的“短板”，該短板將直接決定線路末端電壓質(zhì)量是否合格。因此，參考第④種配網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ拖碌淖畲笤试S供電半徑進(jìn)行中壓架空線路的選型將不會出現(xiàn)中壓線路末端低電壓問題，這里將該供電半徑定義為“合理供電半徑”，不同線徑及負(fù)荷下的合理供電半徑具體情況如表5所示。

首先將蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)放置在底座的剛性平臺上，然后安裝導(dǎo)管。將落錘的后端設(shè)計成圓柱體的原因是圓形尾部平面可以直接連接在固定端的電磁鐵上。實驗開始時關(guān)閉電磁鐵，落錘失去引力，脫離電磁鐵，自由下落進(jìn)入導(dǎo)管，沿著導(dǎo)管砸向試件上表面。根據(jù)實驗設(shè)計要求，上、下調(diào)節(jié)固定端的高度，以此來控制落錘下落的速度。由于實驗裝置本身高度有限，因此落錘下落時所含勢能勢必受到限制。在此僅選擇5、 10、 15 m/s這3種沖擊速度，其他情況將在有限元仿真中進(jìn)行討論。當(dāng)落錘的沖擊速度分別為5、 10、 15 m/s時，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的凹痕深度分別為0.728、 1.263、 2.040 mm，凹陷面積如圖1所示。由圖可知，在受到落錘作用后，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的中心有不同程度的凹陷，且隨著沖擊速度的增大，凹陷逐漸加深，凹陷面積也逐漸加大。

(a) 沖擊速度為5 m/s(b) 沖擊速度為10 m/s(c) 沖擊速度為15 m/s圖1 蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的落錘沖擊實驗結(jié)果

2　數(shù)值計算及分析

利用ABAQUS有限元軟件， 建立蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)落錘沖擊實驗仿真模型， 如圖2所示。 有限元模型與實驗實體模型尺寸比例為1∶1， 其中蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)采用三維可變形殼單元， 落錘采用三維可變形實體單元， 落錘和蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的接觸采用面-面接觸方式， 接觸對為蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的上面板和落錘前端弧面。 對試件的面板施加相應(yīng)的約束， 約束落錘剛體化并在預(yù)定義場中添加初速度。

2.1　仿真與實驗結(jié)果對比

在仿真結(jié)果中，當(dāng)落錘的沖擊速度分別為5、 10、15 m/s時，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)面板的凹痕深度如表1所示。由表可知，數(shù)值計算的凹痕深度比實驗所得結(jié)果稍小， 原因是在建立數(shù)值計算模型時對沖擊試驗仿真模型進(jìn)行了簡化， 并且沒有充分考慮蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子以及芯子與面板連接處的缺陷，較為理想化；但是實際實驗中很難避免此類缺陷，因此實驗結(jié)果略大于數(shù)值計算結(jié)果。3種速度時蜂窩結(jié)構(gòu)面板凹痕深度的誤差均小于10%，可以認(rèn)為數(shù)值計算方法是正確的。

(a)幾何模型(b)網(wǎng)格劃分模型圖2 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的落錘沖擊實驗仿真模型

表1　蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)落錘沖擊實驗的有限元計算結(jié)果

2.2　分析與討論

在落錘沖擊實驗過程中，當(dāng)落錘速度分別為5、 20、 50 m/s時，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)試件面板及其芯子各部位的應(yīng)力分布如圖3所示。由圖可知，當(dāng)落錘與面板接觸后，面板中心處的應(yīng)力開始集中，隨著落錘凹痕深度的增大及其與面板接觸面積的增大，應(yīng)力以同心圓形向外層狀發(fā)散，并且始終保持中心應(yīng)力最大。當(dāng)落錘凹痕深度達(dá)到最大時，面板的應(yīng)力峰值及其擴散面積也達(dá)到最大，然后隨著錘頭的反彈，落錘錘頭與面板脫離接觸，應(yīng)力幅值開始減小，應(yīng)力擴散面積也相應(yīng)減小，并且中心點不再是應(yīng)力最大點。落錘沖擊速度越大，在最大凹痕深度處的應(yīng)力峰值和應(yīng)力波輻射范圍也越大。在落錘發(fā)生反彈而與面板脫離接觸后，面板上的殘余應(yīng)力影響面積及幅值也越大。當(dāng)應(yīng)力的輻射范圍足夠大，直至與面板邊緣相交時，應(yīng)力不再以同心圓形狀傳播，開始異形發(fā)散。

(a)與落錘接觸,沖擊速度為5 m/s(b)位移最大,沖擊速度為5 m/s(c)落錘離開后,沖擊速度為5 m/s(d)與落錘接觸,沖擊速度為20 m/s(e)位移最大,沖擊速度為20 m/s(f)落錘離開后,沖擊速度為20 m/s(g)與落錘接觸,沖擊速度為50 m/s(h)位移最大,沖擊速度為50 m/s(i)落錘離開后,沖擊速度為50 m/s圖3 不同沖擊速度時蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)試件面板的應(yīng)力分布

圖4所示為蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子在落錘沖擊速度分別為5、 20、 50 m/s時各階段的應(yīng)力分布。 由圖可知， 在受到落錘沖擊后， 隨著蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)面板發(fā)生變形， 與面板相連的蜂窩芯子也開始發(fā)生失穩(wěn)， 在落錘下落位移最大時芯子變形量也達(dá)到最大， 并且應(yīng)力峰值也最大。 應(yīng)力沿著蜂窩芯子平面?zhèn)鞑ィ?即圖4中各圖的左圖所示， 而在垂直方向， 即圖4中各圖的右圖所示， 在落錘剛與面板接觸時， 受到面板的擠壓， 蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子發(fā)生變形， 開始出現(xiàn)應(yīng)力， 并且不斷向外擴張； 當(dāng)落錘凹痕深度達(dá)到最大時， 應(yīng)力傳播范圍達(dá)到最大， 并且應(yīng)力峰值和在落錘開始發(fā)生反彈并與面板脫離接觸后， 由于面板也會有所回彈， 因此芯子受到的壓力減小， 應(yīng)力峰值相應(yīng)減小， 并且輻射范圍也開始減小， 此時的應(yīng)力峰值已經(jīng)不再出現(xiàn)在中心地帶。 落錘沖擊速度越大， 蜂窩鋁芯子在最大凹痕深度處的應(yīng)力峰值和輻射范圍也越大， 在落錘發(fā)生反彈與面板脫離接觸后， 芯子中的殘余應(yīng)力影響面積及幅值也越大。

(a)沖擊速度為5 m/s

(b)沖擊速度為20 m/s

(c)沖擊速度為50 m/s 圖4　不同沖擊速度時芯子在結(jié)構(gòu)凹痕位移最大時和落錘離開后的應(yīng)力分布

圖5所示為不同沖擊速度時蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的落錘沖擊凹痕深度和接觸力。 由圖5(a)可知， 隨著沖擊速度的增大， 蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的凹痕深度也越大， 且呈線性增長。 由圖5(b)可知， 蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)試件在受落錘沖擊作用時的接觸力變化過程可以分為3個階段： 第1個階段大致為整個作用時間段的前1/3， 此時落錘與試件面板建立接觸， 并且蜂窩芯子處于彈性階段， 因此接觸力迅速增大； 第2個階段大致為整個作用時間段的1/3～2/3， 此時落錘已經(jīng)與面板建立了穩(wěn)定的接觸關(guān)系， 并且此時蜂窩芯子的變形開始進(jìn)入塑性階段，落錘受到的接觸力增大幅度減小，接觸力曲線較平緩；第3個階段為整個作用時間段的后1/3，此時接觸力開始急劇減小，原因是落錘開始反向運動，蜂窩芯子也開始緩慢恢復(fù)，但是因產(chǎn)生了塑性變形而恢復(fù)并不完全。

(a)凹痕深度(b)接觸力圖5 不同沖擊速度v時蜂窩鋁結(jié)構(gòu)的落錘沖擊凹痕深度和接觸力

圖6所示為落錘沖擊速度為10 m/s時蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能與時間的關(guān)系。由圖可知，該關(guān)系曲線分為3個階段：第1個階段為上升階段，試件應(yīng)變能不斷增大，此階段又可以細(xì)分為2個階段，即芯子和面板均在彈性階段，這時應(yīng)變能也呈線性增長，當(dāng)塑性變形發(fā)生時，應(yīng)變能的增長不再呈線性變化(即圖5(a)中達(dá)到峰值前的階段)；第2個階段為下降階段，此時落錘開始反彈，蜂窩面板與芯子雖然發(fā)生了塑性變形，但是仍然有所反彈；第3個階段為平臺階段，此時落錘與面板脫離，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)也回到穩(wěn)定狀態(tài)。能量峰值為沖擊總能量，平臺階段的能量值為蜂窩鋁結(jié)構(gòu)在落錘沖擊過程中所吸收的能量，下降階段的能量差值就是落錘反彈時的剩余能量。

圖6　沖擊速度為10 m/s時蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能與時間的關(guān)系

圖7所示為不同沖擊速度時蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)吸收的能量與時間的關(guān)系。由圖可知， 吸收能量隨著速度的增大而增大，而吸收能量的幅值同時取決于勢能的轉(zhuǎn)化。

圖7　不同沖擊速度v時蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)吸收的能量與時間的關(guān)系

3　結(jié)論

本文中利用落錘裝置對不同落錘速度造成的蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)面板上的凹痕深度進(jìn)行了測試，建立了有限元模型，對落錘沖擊過程的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

1)在落錘與試件接觸時，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)面板上的應(yīng)力分布呈同心圓狀向外發(fā)散，在圓心處的應(yīng)力最大，當(dāng)落錘開始反彈并與面板脫離時，應(yīng)力幅值減小，但是影響面積只是小幅減小，且此時的應(yīng)力最大點不在圓心處，而在圍繞圓心附近的一個同心圓處。蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子的應(yīng)力呈異形向外發(fā)散，并在脫離接觸后逐漸收縮。落錘沖擊速度越大，面板和蜂窩芯子在最大凹痕深度處的應(yīng)力峰值也越大，應(yīng)力波輻射范圍也越大。

2)在落錘下落過程中，接觸力隨時間的變化過程基本可以分為3個階段：急速上升階段，此時蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子的變形尚在彈性階段；載荷穩(wěn)定階段，此時蜂窩芯子面板開始發(fā)生塑性變形；載荷下降階段，此時落錘開始發(fā)生回彈直至脫離接觸。在落錘下落過程中，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)吸收的能量隨著落錘沖擊速度的增大而相應(yīng)增大，而吸收能量的幅值同時取決于勢能的轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn):