沖擊作用下多孔材料面內破壞模式研究

郭 昕

（中國石油天然氣股份有限公司重慶銷售涪陵分公司，重慶 408000）

0 前言

蜂窩材料與泡沫材料均屬于新型的多孔材料，由于其獨特的壓縮力學性能，使其在輕質夾層結構、能量吸收及沖擊防護材料等方面具有廣闊的應用前景。與實體材料不同，多孔材料的力學性能不僅取決于基體材料的性能，而且在很大程度上依賴于材料微觀孔隙的幾何結構。文獻[1,2]對截面為正六邊形蜂窩鋁的二維破壞模式做了研究，但沒有對其它孔洞形狀的蜂窩材料在沖擊作用下平面內的破壞模式進行討論。為了解多孔材料在不同速度沖擊荷載作用下及孔洞形狀對其面內破壞模式的影響，開展了不同孔洞多孔材料在沖擊作用下破壞模式的研究工作。

1 模型及材料的選取

圖1 計算模型示意及有限元圖

計算模型如圖1所示，上面為沖擊剛體，下面為多孔材料，剛體材料為鋼材，多孔材料的基體材料為金屬鋁，金屬鋁采用雙線性彈塑性模型，彈性模量為69GPa，泊松比為0.3，屈服應力為76MPa。剛體采用實體單元模型，多孔材料采用殼單元模型。剛體與多孔材料的接觸定義為自動面面接觸，多孔材料內部相互之間的接觸定義為單面自動接觸。多孔材料底部邊界為約束全部自由度。殼單元沿厚度方向定義4個積分點，以滿足收斂精度的要求。單元算法選擇全積分殼單元算法。剛體的質量為2 kg，沖擊速度分別為5m/s、10m/s和20m/s。

2 不同孔洞形狀在沖擊作用下的破壞模式

2.1 正六邊形破壞模式

圖2 孔洞形狀為六邊形多孔材料在不同沖擊速度作用下不同時刻的變形圖

正六邊形單胞的內切圓半徑為6.8 mm，壁厚為0.1mm，高度為15mm。為保證材料因為胞元在某一個方向較少而影響材料宏觀力學性能，同時考慮到材料的宏觀尺寸要大于孔洞尺寸至少一個數量級才能反映材料的宏觀性能，故計算的正六邊形多孔材料采用由 10x9個胞元組成。由文獻[3]介紹的內容可知，正六邊形截面的多孔材料在靜力作用下的破壞模式是從中間的胞體首先開始破壞，然后由中間向兩邊擴展。圖 2給出了六邊形多孔材料在不同速度沖擊作用下的變形模式圖。計算結果顯示，正六邊形多孔材料在沖擊荷載作用下的面內破壞模式與其在靜力作用下的面內破壞模式不同，正六邊形多孔材料在沖擊作用下的破壞模式與沖擊速度的關系較為密切。當剛體以5m/s的速度沖擊正六邊形多孔材料時，先在受撞區域形成一個‘V’形的屈服面，隨著時間的增加，屈服面逐漸變成‘X’形狀。由于沖擊速度較小，故計算至圖示階段以后，變形已經不再發展。如果剛體的動能足夠大能夠將多孔材料壓實。其變形破壞模式的發展趨勢是沿著‘X’向四周擴展直至密實。而當剛體的沖擊速度為10m/s時，截面為正六邊形多孔材料的破壞模式是先在受撞區域形成一個‘V’形的屈服面，隨著時間的增加，其變形及破壞沿‘V’形屈服面向四周擴展。當沖擊速度為20m/s時，正六邊形多孔材料的破壞模式呈‘一’字形，隨著時間的增加，破壞區域沿著沖擊面依次形成，最后直至壓實。

由上面的分析可知，正六邊形多孔材料的面內破壞模式與荷載性質、加載速度有密切的關系。沖擊作用下正六邊形多孔材料的面內破壞模式又與沖擊速度大小有關。當正六邊形多孔材料在靜力作用下時，其破壞模式是先在中間形成‘一’字形屈服面，然后向兩邊擴展。最后直至材料被壓實。而在沖擊作用下，隨著沖擊速度的增加，其破壞模式由‘V’字形、‘X’字形向‘一’字形轉變。為探討不同截面形式孔洞的多孔材料是否具有同樣的性質。又計算了孔洞形狀為三角形及正方形的多孔材料在不同沖擊速度作用下的變形破壞模式。

2.2 正方形多孔材料平面內沖擊荷載作用下的破壞模式

圖3 孔洞形狀為正方形多孔材料在不同沖擊速度作用下不同時刻的變形圖

正方形單胞的外截圓半徑為6.8 mm，壁厚為0.1mm，高度為15mm。計算的正方形多孔材料采用由9x10個胞元組成。圖4給出了截面為正方形多孔材料在不同沖擊速度下的變形圖。計算結果顯示，不同沖擊速度作用下正方形截面多孔材料的破壞模式也不同。沖擊速度較低時，與正六邊形相似，在中部出現一個屈服面。與其它兩種截面不同之處在于，沿此屈服面上面的材料全部屈服以后，屈服面下面的材料才開始屈服。速度增加時，這種特性也沒有改變。正方形與其它孔洞形狀不同的是，它屈服時，會沿著垂直于沖擊方向的另外一個面內方向屈服。

3 結論

孔洞形狀及沖擊速度對多孔材料在沖擊作用下面內破壞模式都有較大的影響，當速度從5m/s增加至20m/s時，正六邊形的面內破壞模式從‘X’形轉變為‘V’形，最后為‘一’字形，正方形也是由中間先屈服，轉變成由中間及撞擊面開始屈服。最后材料完全被壓實。當沖擊速度增加時，兩種孔洞形式的面內破壞模式都趨向于從撞擊面呈‘一’字形屈服的情況。