不同沖擊速度對鋁蜂窩板沖擊動力響應的影響

孫國恩，宋相軍

(1.吉林大學材料科學與工程學院，吉林 長春 130022；2.長春市正通科技開發有限公司，吉林 長春 130022)

1 引 言

在過去的幾十年中，人造鋁蜂窩板因具有質輕、良好的能量吸收能力和隔聲等優異的特性而廣泛應用于航空航天、交通運輸、建筑等領域[1-3]。在這些領域的實際使用中，對結構力學特性有著嚴格的要求。

目前，大量學者對蜂窩結構的力學特性進行了研究。石珊珊等研究了Kevlar短纖維增韌碳纖維/鋁蜂窩夾芯板三點彎曲與面內壓縮性能[4]。鄭吉良等通過材料試驗機對等腰梯形蜂窩芯進行面外壓縮性能的試驗測試與模擬[5]。賈培奇等研究了不同高度尺寸對正六邊形商用鋁蜂窩面外力學性能的影響[6]。羅昌杰等研究了金屬蜂窩在靜態異面壓縮及沖擊加載下平均壓縮力學的理論模型[7]。

由于蜂窩結構的多樣性，主要包括結構、幾何參數和材料的不同，給其力學分析增加了很大的難度。本文主要通過ABAQUS/Explicit有限元仿真軟件模擬不同沖擊速度對鋁蜂窩結構板結構動力響應特性的影響，主要從等效塑性應變、能量吸收特性方面對其進行分析，旨在為相關研究提供借鑒和指導。

2 鋁蜂窩板沖擊動力響應的數值模型

2.1 有限元模型

在鋁蜂窩板沖擊過程中，采用ABAQUS/Explicit的動態顯示算法計算其動力響應。圖1是鋁蜂窩板在ABAQUS中的有限元沖擊模型，其中，剛性球的半徑為10mm，上鋁板和下鋁板都是由長72.7mm、寬66mm的矩形面板構成，鋁蜂窩芯是一個7×7大小的正六邊形(即X和Y方向都有7個蜂窩單元)組成，邊長和厚度都為6mm。

圖1 鋁蜂窩板沖擊的有限元模型

鋁板和鋁蜂窩選用S4R具有4節點曲面薄殼或厚殼減縮積分單元進行模擬。在沖擊過程中，剛性球不發生變形，故選用剛性單元C3D4進行模擬。C3D4是具有4節點顯式線性剛體單元。由于剛體單元在模擬中不計算單元層次，可以有效縮短計算時間。

2.2 材料模型

由于鋁合金A5052具有良好的焊接性和可塑性，常用于航空航天、交通運輸、建筑等領域[8]。為此，本文中蜂窩材料使用A5052，蜂窩材料和剛性球參數見表1。在數值模擬過程中，采用Johnson-Cook材料模型，具體的模型參數見表2。

表1 A5052和剛性球的參數

表2 A5052的Johnson-Cook材料模型參數

3 結果與討論

3.1 等效塑性應變特性

圖2是鋁蜂窩上表面板在不同沖擊條件下的等效塑性應變云圖。圖3是鋁蜂窩芯在不同沖擊條件下的等效塑性應變云圖。表3是從圖2和圖3中總結出來的鋁蜂窩破壞情況表。可以看出，隨著沖擊速度的增大，上表面鋁蜂窩板和鋁蜂窩芯的最大等效塑性應變也隨之增大。當沖擊速度為5m/s時，鋁蜂窩上表面板和鋁蜂窩芯均未發生破損和斷裂；當沖擊速度為10m/s時，鋁蜂窩上表面板未發生破損和斷裂，但鋁蜂窩芯局部等效塑性應變達到材料的塑性極限，從而使該區域發生破損；當速度繼續增大到20m/s時，鋁蜂窩上表面板和鋁蜂窩芯由于局部等效塑性應變都達到材料的塑性極限，所以其局部區域均發生破損和斷裂。

表3 鋁板和鋁蜂窩芯在不同沖擊速度下的破壞情況

圖2 上表面鋁板等效塑性應變云圖

圖3 鋁蜂窩芯等效塑性應變云圖

3.2 能量吸收特性

對于鋁蜂窩板而言，能量吸收特性對其具有重要意義。當鋁蜂窩板在受到沖擊時，剛性球的初始動能主要被鋁蜂窩芯以內能的形式吸收。表4是ABAQUS中得出的鋁蜂窩板能量吸收特性表。從表中可以看出，隨著沖擊速度的增大，鋁蜂窩板的吸收能量也隨之變大，但是鋁蜂窩板的總體能量吸收率變小，這是因為隨著剛性球沖擊速度的增大，導致鋁蜂窩芯的破壞越來越嚴重，當沖擊能量達到一定程度時，鋁蜂窩芯的吸收能量也將達到一定的極限值，從而使總體的能量吸收率降低。

表4 鋁蜂窩板在不同沖擊速度下的能量吸收特性

雖然鋁蜂窩板比一般的板材有較好的吸能效果，但是當其吸收能量達到一定值時，其總體的能量吸收率也將降低。為此，在使用鋁蜂窩板時，需要對其總體的能量和所能吸收的能量進行評估，以便能達到其使用安全性能要求。

4 結 論

本文研究了鋁蜂窩板在不同沖擊速度下的等效塑性應變和能量吸收特性。數值模擬結果表明，當沖擊速度為5m/s時，鋁板和鋁蜂窩芯均未受到破壞；當沖擊速度達到10m/s和15m/s時，鋁板未受到破壞，但鋁蜂窩芯受到破壞；當速度達到20m/s時，鋁板和鋁蜂窩芯均受到破壞。與此同時，隨著沖擊速度的增大，最大等效塑性應變和吸收的能量隨之增加，但是總體的能量吸收率在下降。