混合雙層蜂窩夾層結構抗侵徹性能分析

畢廣劍，尹建平，王志軍

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

蜂窩結構憑借其高的比強度、比剛度、比吸能等優良性能，在建筑及運輸行業最先得到應用。目前除了在航空、航天等領域使用外，還廣泛應用在車輛、艦船、大型貯罐上等[1]。

近年來，蜂窩夾層結構的研究也在有條不紊的進行當中。燕山大學的辛亞軍等[2]對蜂窩鋁夾芯板受落錘低速沖擊后的破壞形態、破壞過程等進行了研究，并得出了蜂窩鋁夾芯板的典型沖擊荷載-位移曲線；湖南大學的孫光永等[3]對層級蜂窩結構夾芯板在爆炸載荷作用下的動力響應和吸能特性進行了研究，得出了吸能比最高的層級參數；哈爾濱工業大學的王棟[4]首次對雙層蜂窩結構進行優化設計，并對其靜、動態力學行為進行分析。同時，蜂窩裝甲防護優化設計、蜂窩緩沖裝置結構的高穩定性以及特殊蜂窩結構的力學特性研究等方面都取得了突破性進展[5-7]。本研究對武裝直升機防御最薄弱的旋翼及尾槳的蜂窩結構進行改進，提出了混合雙層蜂窩結構，并對其抗侵徹性能進行分析。

本研究利用LS-DYNA軟件，對彈丸侵徹多組混合雙層蜂窩夾層結構進行了數值模擬，并分析其最優抗侵徹方案。

1 模型建立

1.1 幾何模型

本文對直徑分別為3 mm與6 mm的蜂窩夾層結構以及用兩種夾層結構兩兩組合后的混合雙層結構進行抗侵徹分析。其中蜂窩夾層結構及蜂窩胞單元如圖1所示，彈丸結構尺寸如圖2所示，其中H=40 mm、R=15 mm。蜂窩夾層結構具體尺寸如表1所示。

1.2 計算模型及材料參數

蜂窩芯層的模型如圖3(a)所示。上下面板模型如圖3(b)所示。本研究對以下6種蜂窩結構的抗侵徹性能進行數值仿真，即以d=3 mm的單層蜂窩夾層板、d=6 mm的單層蜂窩夾層板、雙層均為d=3 mm的蜂窩夾層板、雙層均為d=6 mm的蜂窩夾層板、上層為d=3 mm下層為d=6 mm的混合蜂窩夾層板以及上層為d=6 mm下層為d=3 mm的混合蜂窩夾層板[8]，如圖4所示。以上所有結構均采用1/2模型進行計算。

表1 蜂窩結構參數

本研究中，蜂窩芯層及上下金屬面板的材料均選用4340鋼，材料模型采用MAT_JOHNSON_COOK模型，主要參數有：密度為7.83 g/cm3、剪切模量為0.77 Mbar、楊氏模量為2.068 4 Mbar，其余相關材料參數見表2所示。狀態方程選用EOS_GRUNEISEN其主要參數如表3所示(其中A為參考溫度和參考應變率下的初始屈服應力，B為材料的應變硬化模量，N為材料的硬化指數，M為溫度軟化系數。TR為室溫)。

表2 4340鋼材料參數

表3 狀態方程參數

2 數值模擬及結果分析

2.1 數值模擬

蜂窩夾層結構根據其結構尺寸的不同，其防護效果也不盡相同，本研究利用直徑為30 mm的鋼彈，以100 m/s的速度分別侵徹以上6種蜂窩夾層結構，以d=3 mm的混合雙0層蜂窩結構為例，整體結構模型如圖5所示。彈丸侵徹混合雙層蜂窩結構的過程如圖6所示。

由圖6的侵徹過程中可知，彈丸在10 μs時上層蜂窩結構的上層面板被沖擊斷裂，同時上層面板向下擠壓蜂窩結構，導致蜂窩被壓垮，并向下堆積；20 μs時，彈丸擊穿上層結構的下層面板，并且下層結構的上層面板受力變形，向下凹陷，部分蜂窩結構產生小變形；30 μs時兩層蜂窩結構均被彈丸穿透，且彈丸與最下層面板開始接觸；40 μs時，最下層面板被撕裂，且部分材料脫落；50 μs后，彈丸完全穿透混合雙層蜂窩結構。

蜂窩芯層的變形如圖7所示。金屬面板變形如圖8所示。

由圖6可知，蜂窩芯層在受到沖擊后，與彈丸接觸部分被壓垮堆積后脫落，在圖7中能夠看到，蜂窩板中心部分向四周擠壓，中心處蜂窩胞元斷裂，而與之連接的內側蜂窩胞元被壓扁，并將變形逐級傳遞，直至變形結束，其中受彈丸沖擊變形部分占總體蜂窩結構的1/2左右，受金屬面板板擠壓變形部分占總體蜂窩結構的1/4左右。且在所有結構當中，d=6 mm的蜂窩結構變形占整體結構比例最大。在圖8中的金屬面板受力變形可以看出，面板由中心向外逐漸堆積，最后形成局部凸起，由于慣性與摩擦力的雙重作用，蜂窩芯層與彈丸側面接觸處會有一個向與彈丸運動方向成一定夾角的方向運動，從而導致蜂窩板受力變形后的孔徑要比彈丸直徑略大。

2.2 結果分析

6種情況下，彈丸的速度曲線如圖9所示。

對6條速度曲線進行分析能夠發現,在剩余速度由小到大依次為：混合雙層均為d=3 mm蜂窩夾層結構、混合雙層上層d=3 mm下層d=6 mm蜂窩夾層結構、混合雙層均為d=6 mm蜂窩夾層結構、混合雙層上層d=6 mm下層d=3 mm蜂窩夾層結構、單層d=3 mm蜂窩夾層結構、單層d=6 mm蜂窩夾層結構。將速度曲線與彈丸侵徹蜂窩夾層結構過程進行對比可以發現，彈丸侵徹蜂窩芯層時曲率變化值最大，侵徹鋼板時曲率變化值相對較小。由此可知彈丸在蜂窩芯層處能量損失最多，其剩余速度見表4所示，彈丸能量損失見表5所示。

表4 6種情況下彈丸剩余速度(m/s)

表5 6種情況蜂窩結構吸能(J)

由表5可知蜂窩夾層結構吸能效果與速度曲線相似。而對于蜂窩芯層的防護特性，一般將能量吸收率作為評價指標，其能量吸收率越高，吸能效果就越好，6種結構的吸能率隨時間的變化曲線如圖10所示。

由圖10可知，相對于其他結構，上層d=6 mm下層d=3 mm的蜂窩芯層某一時刻吸收率達到最大值，且曲線前中段斜率較大，后期平緩。而曲線下的面積，即總吸收率的最大值由雙層均為d=3 mm的蜂窩芯層產生，這也驗證了混合雙層蜂窩結構中雙層均為d=3mm的混合蜂窩結構吸能效果最佳，整體抗侵徹性能最好。

綜上所述，與傳統等厚度的單層蜂窩結構相比，混合蜂窩結構的抗侵徹性能更優。

3 結論

1) 在蜂窩夾層結構中，蜂窩芯層吸能效果遠大于上下金屬面板；

2) 蜂窩夾層結構受到相同速度彈丸撞擊后，不同蜂窩胞元直徑的芯層變形不同，其中孔徑為6 mm的夾層結構相對于孔徑為3 mm的夾層結構變形更加延伸；

3) 在所有混合結構當中，孔徑為3 mm的混合雙層蜂窩夾層結構抗侵徹效果最好，彈丸剩余速度最低；上層d=6下層d=3的結構抗侵徹效果相對較差，剩余速度較高。

4) 在等厚度情況下，混合雙層蜂窩結構的抗侵徹性能優于單層蜂窩夾層結構。