六邊形形狀記憶合金蜂窩材料面內變形特性的研究★

董琳 彭瑞巖 張琪 洪玉儒 吳鶴翔*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

作為一種理想的能量吸收材料，多胞材料的力學性能同時受基體材料的力學性能和內部微拓撲結構的影響。近年來，六邊形蜂窩材料憑借微結構彈塑性屈曲和脆性斷裂為特征的平臺變形特性被廣泛的應用于各種能量吸收裝置中，成為研究熱點之一。

Gibson和Ashby通過對六邊形蜂窩材料單元孔穴的理論分析，給出了六邊形蜂窩材料的基本力學參數［1］。Karagiozova和Yu研究了規則六邊形蜂窩材料在面內雙軸壓縮條件下的塑性變形模式［2］。Zheng等采用數值模擬的方法研究了胞元的規則性和沖擊速度對蜂窩材料變形模式和平臺應力值的影響［3］。Zou等采用數值模擬的方法研究了不同沖擊速度條件下，六邊形蜂窩材料面內沖擊壓縮前端的變形特征［4］。

隨著六邊形蜂窩材料在工程領域的深入應用，以及工程要求的不斷提高，形狀記憶合金六邊形蜂窩材料力學性能的研究有待進一步展開。本文采用形狀記憶合金作為基體材料，分析研究了不同溫度條件，面內沖擊作用下，形狀記憶合金六邊形蜂窩材料的變形響應特性。

1 有限元模型

六邊形蜂窩材料在面內沖擊載荷作用下的計算模型如圖1所示，六邊形蜂窩材料模型置于底端固定剛性板之上，頂端剛性板沿著Y方向以某一初始速度沖擊壓縮六邊形蜂窩材料。六邊形蜂窩材料在X方向兩端自由，沿Z方向設置固定約束以消除平面外的位移，保證模型處于平面應變狀態。基體材料采用形狀記憶合金，建立六邊形形狀記憶合金蜂窩材料。基體材料參數如表1所示。

圖1 六邊形蜂窩材料的計算模型

采用非線性有限元軟件ABAQUS進行蜂窩材料面內沖擊動力學特性數值模擬分析。選用S4R單元(4節點減縮積分殼單元)。為了保證計算精度，沿著殼的厚度方向定義5個積分點。在壓縮過程中所有可能接觸的表面定義為自由接觸表面，接觸摩擦系數為 0.2。

表1 六邊形蜂窩材料的基體材料參數

2 分析和討論

圖2給出了不同沖擊速度條件下，相對壓縮量為0.3時，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料在不同溫度下的變形模式。如圖2所示，在低速沖擊(V=5 m/s)和中速沖擊(V=30 m/s)條件下，與傳統六邊形蜂窩材料的變形模式不同，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的均勻變形，沒有產生明顯的“X”型和“V”型局部變形帶。在低速沖擊條件下，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的變形同時從沖擊端和固定端啟動，隨著沖擊壓縮進程，材料中間層部分的變形量比兩端略大，并先于兩端發生壓潰。在中速沖擊條件下，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的變形從沖擊端啟動，隨著沖擊壓縮進程，材料沖擊端部分的變形量比固定端大，并先于固定端發生壓潰。高速沖擊(V=200 m/s)條件下，與傳統六邊形蜂窩材料的變形模式相同，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料產生“I”型的局部變形帶，表現為由沖擊端啟動并逐層壓潰至固定端的變形模式。這是由于沖擊速度超過“沖擊波”波速導致慣性效應增強。此外，如圖2所示，溫度對六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的變形模式影響很小，可以忽略不計。

圖2 六邊形形狀記憶合金蜂窩材料在不同溫度下的變形模式

3 結語

本文建立以形狀記憶合金為基體材料的六邊形蜂窩材料模型，研究了不同溫度和沖擊速度對六邊形形狀記憶合金蜂窩材料變形模式的影響。研究結果表明:與傳統六邊形蜂窩材料的變形模式不同，在低速和中速沖擊條件下，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的變形模式沒有明顯的初始變形帶，表現出相對均勻的變形特性。此外，溫度對六邊形形狀記憶合金蜂窩材料變形模式的影響很小，可以忽略不計。本文的研究為進一步開展蜂窩材料基體材料和微結構耦合設計提供了理論依據。