鋁蜂窩夾芯板抗沖擊強度指標(biāo)分析

王維峰，石衛(wèi)兵

（中車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266111）

鋁蜂窩夾芯板是一種以正六邊形蜂窩鋁材料作為芯層，鋼板材料作為面板設(shè)計制作成的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，這種結(jié)構(gòu)既能發(fā)揮蜂窩結(jié)構(gòu)自身優(yōu)良的性能，也解決了純蜂窩鋁強度低的問題。蜂窩材料作為多孔材料，具有優(yōu)良的吸能、隔熱、降噪以及抗沖擊等特點[1，2]，同時具有比強度大和比剛度大的特性，因此在軌道列車、飛機制造上均有廣泛應(yīng)用。

建筑材料的抗沖擊能力是評價其品質(zhì)的重要指標(biāo)。在選擇產(chǎn)品材料和進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，沖擊強度往往起著決定性作用。許多材料諸多性能優(yōu)越，但并不受歡迎，其主要原因是在規(guī)定的沖擊負(fù)荷下有脆性斷裂的風(fēng)險，因此對鋁蜂窩夾芯板進(jìn)行抗沖擊性能的研究顯得尤為重要。

對鋁蜂窩板的抗沖擊試驗一般以落錘與落球沖擊為主[3-6]，二者有共同特點，即不同材料產(chǎn)生裂痕所需能量不同，試驗時若球（錘）重量不變，則可在不同高度下進(jìn)行試驗，從而獲得不同沖擊速度。其中落錘沖擊試驗具有加載過程平穩(wěn)、可靠性高、測量手段直接等優(yōu)點，并可以直接獲得沖擊力的時程曲線，而落球?qū)︿X蜂窩夾芯板沖擊力的測量目前多通過數(shù)值模擬的手段來進(jìn)行。如王堃[8]等利用ANSYS有限元軟件模擬分析了小球低速沖擊對蜂窩鋁板的損傷變形，以及在沖擊條件不變的情況下，研究了蜂窩鋁板結(jié)構(gòu)參數(shù)（蜂窩芯邊長、蜂窩芯壁厚、蒙皮板厚）對沖擊變形以及吸收能量的影響。鄭華勇[9]等利用瞬態(tài)動力學(xué)分析軟件對提出的一種新型夾芯板進(jìn)行數(shù)值計算，得出芯子密度為0.1時整個結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力最強的結(jié)論。夏志成通過落錘沖擊試驗對鋼板夾泡沫鋁夾芯板進(jìn)行試驗研究，測得了上、下面板的變形值，卻沒有采用試驗的方式測取沖擊力。目前僅通過試驗方法測得沖擊力的研究少之又少，本文通過規(guī)格相當(dāng)?shù)穆溴N、落球試驗相結(jié)合的方式，研究鋁蜂窩夾芯板落球沖擊產(chǎn)生的凹痕深度與沖擊力大小以及落球自由落體高度三者之間的關(guān)系具有十分重要的意義。

1 試驗研究

1.1 試驗設(shè)計

試驗采用的夾芯板長250mm，寬200mm，上、下面板分別為厚度1mm及0.5mm的低合金高強度鋼板。其中夾芯板的幾何尺寸見表1，鋼板與蜂窩鋁的接觸面采用環(huán)氧樹脂與固化劑按照一定比例混合粘結(jié)而成。

表1 鋼板鋁蜂窩夾芯板的材料參數(shù)

1.2 加載系統(tǒng)及測試方法

落錘、落球試驗加載及測量儀器的布置見圖1、圖2。夾芯板采用強力磁鐵塊固定在測試設(shè)備基座上。沖擊落錘總質(zhì)量為2.6kg，錘頭直徑為50mm，落錘沖擊高度分別為0.45m、0.4m、0.3m；落球質(zhì)量為0.5kg，落球直徑與落錘錘頭直徑一致，落球沖擊高度分別為2m、1.7m、1.4m。

圖1 落錘試驗裝置

圖2 落球?qū)嶒炑b置

凹痕的采集使用激光位移傳感器（量程為8mm，精度為0.001mm），沖擊力的測試使用實時數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，從而獲得整個碰撞過程中沖擊力的時程曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

由于橡膠層的存在，落錘和落球?qū)Ψ涓C夾芯板的二次沖擊影響可以忽略不計。凹痕深度的采集在揭除橡膠層清理凹坑后進(jìn)行，重復(fù)測量三次，取最大值作為凹痕深度。同時以采集系統(tǒng)測得的沖擊力時程曲線的峰值最大值作為落錘沖擊力點繪制成圖。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 落錘沖擊試驗結(jié)果

落錘沖擊后，沖擊高度與測得的上面板中心點凹陷值（凹痕深度）的關(guān)系見圖3。

圖3 落錘高度與上面板凹痕深度的關(guān)系曲線

由圖3可見：在落錘高度為0.3m～0.4m時，芯材蜂窩鋁處于線彈性階段，落錘高度與凹痕深度呈線性關(guān)系；在落錘高度在0.4m以上時，曲線斜率增加，上鋼板中心點凹陷速度加快，錘擊區(qū)鋁蜂窩芯材部分發(fā)生屈服，呈現(xiàn)為壓實狀態(tài)。

2.2 落球、落錘沖擊試驗結(jié)果對比分析

鋁蜂窩夾芯板上面板由沖擊引起的凹痕深度與落球、落錘高度的對應(yīng)關(guān)系繪制成如圖4所示曲線。

圖4 落球高度與上面板凹痕深度關(guān)系曲線

從圖4可以看出，落球在1.6m～2.0m以及落錘在0.30m～0.38m高度范圍內(nèi)產(chǎn)生的凹痕深度隨著沖擊體高度的增加而增加，二者呈線性關(guān)系。其中當(dāng)落球高度為2.0m以及落錘高度為0.38m時，在鋼板上均產(chǎn)生1.99mm的凹痕。一般認(rèn)為在鋼板上粘貼厚度為2.5mm橡膠地板布的情況下，質(zhì)量為500g的Ф50鋼球從2m高處落下，當(dāng)沖擊產(chǎn)生的凹痕深度小于2.0mm時，我們認(rèn)為此種鋁蜂窩夾芯板達(dá)到了生產(chǎn)要求，而實驗結(jié)果與此要求吻合。從圖中亦可看出，由于落錘質(zhì)量是落球質(zhì)量的四倍，這就使得落球在高度為1.61m的情況下產(chǎn)生的凹痕與落錘在高度為0.3m時相同，說明了通過改變沖擊體的質(zhì)量可以更充分地利用豎直滑軌。

2.3 落球試驗抗沖擊強度指標(biāo)分析

沖擊力能夠更直觀地體現(xiàn)鋁蜂窩夾芯板的抗沖擊性能，我們一般把沖擊力作為夾芯板抗沖擊強度指標(biāo)的重要依據(jù)。

圖5 沖擊力與凹痕深度的關(guān)系

由圖5可看出，規(guī)格相當(dāng)?shù)穆淝蚺c落錘沖擊鋼板引起的凹痕深度與沖擊力呈正相關(guān)，關(guān)系如式1所示：

F=1140.9x+1305 （1）

由前面結(jié)論可知落球高度與凹痕深度呈正相關(guān)關(guān)系，由此可得沖擊力與落球高度也呈正相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過推導(dǎo)可得式2：

F=770.3h+2035 （2）

其中x代表凹痕深度，單位mm；h代表落球高度，單位為m；F代表沖擊力，單位N。

3 結(jié)束語

本研究通過落球、落錘試驗相結(jié)合的方法，重點研究了鋁蜂窩夾芯板的抗沖擊性能，完成了落球試驗中鋁蜂窩夾芯板抗沖擊強度的指標(biāo)分析，具體結(jié)論如下。

落球在1.6m～2.0m以及落錘在0.30m～0.38m高度范圍內(nèi)產(chǎn)生的凹痕深度與沖擊體高度呈正相關(guān)關(guān)系。經(jīng)過推導(dǎo)可知，在一定范圍內(nèi)，落球沖擊產(chǎn)生的總能量與落球高度呈正相關(guān)關(guān)系。