爆炸載荷下蜂窩 /波紋夾芯方板的動力學(xué)行為研究

王大江，李 鑫，朱 健

(1.山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，太原 030024；2.太原理工大學(xué) 力學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，太原 030024)

多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)、高比強度和優(yōu)秀的能量吸收能力被廣泛地應(yīng)用于軌道交通、航空航天以及軍事等領(lǐng)域，其在強動載下的動力學(xué)行為也成為學(xué)者們研究的熱點[1-3]。NURICK et al[4-5]采用沖擊擺錘系統(tǒng)對蜂窩夾芯圓板進(jìn)行了爆炸實驗，討論了載荷作用下面板和芯層的失效模式。趙桂平等[6]采用ABAQUS和LSDYNA分析了不同厚度的泡沫鋁、蜂窩和波紋板在子彈撞擊載荷作用下的動力響應(yīng)，分析了載荷作用下夾芯板的變形機制及能量吸收規(guī)律。XIANG et al[7]實驗研究了水下爆炸載荷作用下蜂窩夾芯板的動力響應(yīng)以及流固耦合過程，結(jié)果表明增加芯層的厚度能顯著提高結(jié)構(gòu)的水下抗沖擊能力。ZHANG et al[8]研究了聚合物泡沫填充波紋夾芯板的動力響應(yīng)，實驗結(jié)果顯示在爆炸載荷下填充物能有效防止結(jié)構(gòu)的斷裂從而提高結(jié)構(gòu)的抗爆性能。XIA et al[9]針對圓管作為芯層的夾芯板進(jìn)行了爆炸加載實驗，實驗中發(fā)現(xiàn)近場起爆情況下圓管分散排列抗暴性能更好。代煒等[10]利用LS-DYNA計算了V型泡沫鋁夾芯板在爆炸載荷下的動態(tài)響應(yīng)，計算結(jié)果指出與平板相比，V型板具有更加優(yōu)越的防爆性能。目前關(guān)于不同多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)之間抗爆性能的對比研究相對較少，而這些研究對金屬夾芯結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用具有十分重要的參考價值。

本研究中利用彈道沖擊擺錘對鋁蜂窩/鋁波紋夾芯板進(jìn)行了爆炸沖擊加載實驗，通過改變夾芯板幾何尺寸(厚度、胞元尺寸等)、炸藥質(zhì)量和起爆距離獲得了不同沖量下夾芯板的變形/失效模式，對比分析了蜂窩/波紋夾芯板的抗爆性能，討論了兩種夾芯板面板和芯層失效模式異同。

1 材料及實驗裝置

1.1 材料及屬性

實驗所用鋁波紋/蜂窩夾芯板由利銘蜂窩復(fù)合材料有限公司提供。前后面板及波紋芯層的材料均為AL-1200，蜂窩芯層材料為AL-5052，其力學(xué)性能見表1.

表1 材料力學(xué)屬性Table 1 Mechanical property of materials

圖1中給出了切割好的試件，實驗中分別對4種不同尺寸的夾芯板進(jìn)行了加載實驗，其中蜂窩芯層由標(biāo)準(zhǔn)的六邊形蜂窩單元組成，波紋板由標(biāo)準(zhǔn)梯形單元組成。2種夾芯板的前后面板厚度均為0.8 mm，波紋板的總厚度為9.6 mm，其中芯層高度h=8 mm，芯層厚度為0.2 mm，a=7 mm，b=14 mm，蜂窩板總厚度分別為10，20，30 mm，其中芯層高度分別為8.4，18.4，28.4 mm，蜂窩單元厚度為0.04 mm，邊長為3 mm.

圖1 試件及芯層示意圖(mm)Fig.1 Specimen and core sketch

1.2 測試裝置

實驗在自行設(shè)計的彈道沖擊擺錘系統(tǒng)上進(jìn)行，擺錘主要由正方形夾具、工字鋼梁及平衡配重構(gòu)成，其裝置的示意圖如圖2所示。為了保證擺錘在運動過程中處于平動狀態(tài)(轉(zhuǎn)角小于5°)，整個系統(tǒng)由4根2.6 m長鋼絲懸掛于空中。為保證加載過程中試件處于準(zhǔn)固支狀態(tài)，試件被16個螺栓固定在擺錘前方的夾具中。圓柱形TNT炸藥和起爆雷管放置在試件正前方，起爆點位于炸藥正后方。激光位移傳感器(Micro-Epsilon LD1625-200)設(shè)置在沖擊擺錘系統(tǒng)的尾部來記錄擺錘的位移時程曲線，依據(jù)動量守恒和能量守恒得到擺錘所受沖量。進(jìn)一步根據(jù)夾芯板的有效受載面積計算出試件受到的沖量，具體沖量計算原理見文獻(xiàn)[11].試件切割為300 mm×300 mm的正方形，被固定之后爆炸沖擊波的有效作用面積為250 mm×250 mm.

圖2 彈道沖擊擺錘系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch of ballistic pendulum system

2 實驗結(jié)果

2.1 前后面板失效模式

圖3和圖4中給出了沖量分別為19.01 N·s和19.04 N·s時，波紋板和蜂窩板的前后面板變形失效模式。

圖3 波紋板失效模式(I=19.01 N·s)Fig.3 Deformation/failure modes of corrugated panel(I=19.01 N·s)

圖4 蜂窩板前后面板失效模式(I=19.04 N·s)Fig.4 Deformation/failure modes of honeycomb panel(I=19.04 N·s)

從實驗中觀察到，蜂窩夾芯板的所有試件前面板均表現(xiàn)出在中心區(qū)域的局部壓縮失效和在外圍區(qū)域的整體大變形；同時由于所采用的是柱形炸藥，在端部所產(chǎn)生的超壓將明顯高于沖擊波兩翼超壓，因此在載荷強度較大的中心區(qū)域可觀察到壓入失效和侵蝕失效，具體表現(xiàn)為局部的撕裂和破壞。而對于波紋板，一方面其芯層與面板的連續(xù)接觸面積較大，提供了夾芯板較強的抗拉強度；另一方面相對于蜂窩芯層與面板的線形接觸區(qū)域，載荷作用下波紋板面板所受到芯層提供的剪切應(yīng)力將明顯減小，因此實驗中所有試件的前面板均表現(xiàn)出整體的塑性大變形，但未出現(xiàn)圖4中蜂窩板中心的撕裂破壞。圖中同時可以看到，蜂窩板為近似面內(nèi)各向同性，其在中心受載區(qū)域的變形基本為圓形，而由于波紋芯層的近似正交各向異性的特點，其中心附近為近似矩形的變形區(qū)域，且在抗彎剛度較弱沿著波紋的方向上，邊界出現(xiàn)了更為明顯的褶皺現(xiàn)象。相對于前面板不同的失效模式，兩種夾芯板的后面板變形相似，均為非彈性的塑性大變形，整體呈現(xiàn)穹形，中心位置的撓度最大且均勻地從中心向邊界減小。

2.2 芯層失效模式

圖5和圖6分別給出了波紋板和蜂窩板試件的芯層截面變形圖和部分試件的局部放大圖(排列方式為所受沖量從小到大，且所受最小沖量的試件位于最底部)。從圖中可以看到，所有試件的芯層表現(xiàn)出了較為相似的變形模式：芯層最大的壓縮量均出現(xiàn)在夾芯板位移最大的中心區(qū)域，發(fā)生了明顯的局部塑性大變形，在靠近邊界處芯層出現(xiàn)了明顯的剪切變形，支座處由于不直接承受爆炸載荷基本沒有發(fā)生明顯變形。從厚度為30 mm的蜂窩夾芯板芯層變形可以清楚地看到，當(dāng)沖量較小時，靠近前面板的芯層在短時強動載荷作用下發(fā)生的為動力漸進(jìn)屈曲，由于載荷沖量較小，當(dāng)應(yīng)力波傳播到芯層后半部分時其強度不足以使其發(fā)生屈曲，因此靠近后面板的蜂窩壁基本保持直立，由于蜂窩芯層抗彎剛度較大，故芯層在邊界處的剪切變形不是十分明顯；而隨著沖量的增大，芯層中心被完全壓實且部分壓實區(qū)域不斷增大，在邊界處的剪切變形也變得更為明顯。同時從厚度為10 mm的蜂窩夾芯板的芯層變形可以看到，當(dāng)沖量較大時，芯層在壓實之后進(jìn)一步發(fā)生了破壞，芯層和面板之間發(fā)生分離。對比波紋板和蜂窩板的芯層變形模式可以發(fā)現(xiàn)，由于波紋芯層的能量吸收能力相對較弱，導(dǎo)致在沖量較大時面板發(fā)生更大的塑性變形，因此芯層在靠近邊界處的剪切變形更為明顯。

圖5 不同沖量下波紋夾芯板芯層失效模式(a)及局部放大圖(b)Fig.5 Different deformation/failure modes of corrugated cores under different impulse

圖6 不同厚度蜂窩夾芯板芯層失效模式Fig.6 Different deformation/failure modes of honeycomb cores

2.3 后面板最終撓度

圖7給出了不同沖量下各夾芯板后面板的最終殘余撓度。從圖中可以看到，隨著沖量的增加，波紋板和蜂窩板后面板的最終撓度也不斷增加。

圖7 不同沖量下夾芯板后面板殘余撓度Fig.7 Residual deflection of back face sheet under different impulse

為了對比蜂窩夾芯板和波紋夾芯板的抗爆性能，分別將兩者所測量得到的撓度δ和沖量I進(jìn)行如下正則化處理[12]。

(1)

(2)

圖8 正則化沖量與撓度的關(guān)系Fig.8 Relationship of regularied impulse and deflection

3 結(jié)論

采用沖擊擺系統(tǒng)對爆炸載荷作用下鋁蜂窩和鋁波紋夾芯板的變形/失效模式進(jìn)行了實驗研究，得到了加載沖量與不同夾芯板后面板殘余撓度的關(guān)系，討論了兩種夾芯板的面板和芯層變形失效模式。主要結(jié)論如下：

1) 爆炸載荷作用下，蜂窩夾芯板前面板中心區(qū)域出現(xiàn)了明顯的壓入失效和侵蝕失效，而對于波紋板夾芯板所有試件前面板均表現(xiàn)出整體的塑性大變形，未出現(xiàn)局部的撕裂和破壞。由于波紋芯層的近似正交各向異性的特點，在抗彎剛度較弱的沿波紋方向上，邊界出現(xiàn)了更為明顯的褶皺現(xiàn)象。相對于前面板不同的失效模式，兩種夾芯板的后面板變形均為非彈性的塑性大變形。

2) 蜂窩芯層和波紋芯層在爆炸載荷下表現(xiàn)出的變形模式較為相似：中心區(qū)域的塑性大變形和邊界處的剪切變形。蜂窩芯層在前面板附近發(fā)生漸進(jìn)屈曲。隨著沖量的增大，波紋芯層在邊界處剪切變形相對于蜂窩芯層更為明顯。

3) 在相同的芯層平均密度和載荷條件情況下，相對于蜂窩芯層，梯形波紋芯層顯示出了較弱的能量吸收能力，從而導(dǎo)致其后面板產(chǎn)生更大的塑性變形。蜂窩芯層高度的逐漸增大將增加蜂窩芯層的能量吸收，進(jìn)而使得蜂窩夾芯板后面板的殘余撓度逐漸減小。