羅小麗，王洪亮，周云波，王顯會，孫曉旺，羅 鳴

(南京理工大學， 南京 210094)

在當代戰場上，來自地雷和簡易爆炸裝置爆炸沖擊波的傷害已成為軍用車輛的重要威脅之一，各類專用車輛也面對日益嚴峻的爆炸沖擊威脅，均有較強的抗爆炸沖擊防護需求[1]。在爆炸沖擊下，車身自身變形損傷大，同時爆炸產生的沖擊波會造成乘員傷害甚至致命[2]。

蜂窩結構簡單，有大比吸能、比剛度、比強度等特征，相比其他多胞結構，工藝成熟，廣泛應用于汽車領域。王宗千[3]設計了一種蜂窩吸能盒用于汽車碰撞吸能。王顯會[4]、魏然[5]、佘磊[6]等人使用蜂窩夾層結構來提高車輛的抗爆炸沖擊性能。但均未考慮負泊松比結構。

一般材料的泊松比為正值，在拉伸變形時垂直于載荷的方向會收縮，壓縮時膨脹；泊松比為負值的材料則相反，受拉膨脹，受壓收縮[7]。大量研究表明具有負泊松比特性的結構有優異的力學性能。WANG等[8]在車門填充負泊松比蜂窩夾層結構以提高車門的抗爆炸沖擊性能，但其邊界條件為遠距離側面爆炸，爆炸沖擊對結構的毀傷效應遠小于底部爆炸。LAN等[9]比較了泡沫鋁結構、正泊松比和負泊松比蜂窩結構，結果表明負泊松比結構有較好的抗爆炸沖擊性能。

張鑫磊[10]在車身底部防護結構中采用泡沫鋁材料并進行了功能梯度優化，結果表明采用具有梯度的結構較無梯度的同一結構車輛抗底部爆炸沖擊性能更好，但未考慮蜂窩結構。

針對上述問題，本研究根據某車輛臺架實驗，建立有限元模型；在底部填充蜂窩夾層結構，以底板內能和加速度來評價車輛的抗爆炸沖擊性能，比較了不同的蜂窩夾層結構對車輛抗爆炸沖擊性能的影響，選擇出最佳的一種；并基于所選結構，以蜂窩胞壁厚度作為變量進行功能梯度分析，得到對提高車輛抗爆炸沖擊性能最有益的一種蜂窩夾層結構。

1 車輛仿真模型

1.1 車輛縮比模型臺架實驗

周迪[11]等做了車輛縮比模型臺架底部爆炸實驗，評價車輛在6 kg TNT淺埋爆炸沖擊下的損傷情況并測量底板的變形，車輛結構如圖1所示。經過爆炸沖擊后車輛整體變形如圖2所示，其中C10點變形最大，C17點變形最小；C10、C17兩點在YZ平面的距離從0 mm變成177.8 mm。

圖1 車輛縮比模型結構

圖2 車輛縮比模型實驗變形

1.2 車輛縮比仿真模型

根據實驗建立車輛縮比有限元模型(后文稱為初始結構)，如圖3。根據實驗工況，建立炸藥模型，炸藥形狀為圓柱形，當量6 kg，位于結構中心位置的正下方，炸藥上表面距地面100 mm。ALE算法是目前公認的成熟的爆炸仿真算法[12]，本研究應用LS-DYNA采用ALE算法進行仿真分析。如圖4所示，臺架整體從中部出現彎曲，底部出現較大變形，側壁出現翹曲；橫梁1、2從底板脫落；其余各部分未見明顯破壞。比較圖2和圖4，實驗和仿真車輛的整體損傷變形情況基本吻合。

圖3 車輛縮比有限元模型

圖4 車輛縮比模型仿真變形

如圖5，C10、C17兩點在XZ平面相對位移變化188 mm，與實驗結果的177.8 mm比較，誤差為5.7%，誤差在15%以內，滿足工程要求。

圖5 C10、C17兩點在XZ平面相對位移

仿真中，車輛整體損傷變形情況與實驗情況基本吻合；底板底部變形量與實驗測量結果相比，誤差滿足要求。由此確定臺架有限元模型是比較準確的，可以用于后續研究。

2 蜂窩夾層結構對車輛抗爆炸沖擊性能影響

2.1 蜂窩夾層結構設計

為提高車輛的抗爆炸沖擊性能，在初始結構的基礎上調整防雷板，使得底板與防雷板間隙Δt=30 mm(后文稱為調整結構)；并填充蜂窩夾層結構，如圖6所示。設計面內負泊松比、面內正泊松比、面外負泊松比、面外正泊松比4種不同蜂窩夾層結構；單個胞元a=14 mm，b=5.8 mm，α=65°，β=115°，t=1 mm，h=10 mm，如圖7所示。蜂窩材料模型采用Johnson-Cook定義[3]。

圖6 調整結構—填充面外蜂窩夾層示意圖

圖7 蜂窩夾層結構示意圖

2.2 車輛抗爆炸沖擊性能分析

結構內能可以表明結構的變形情況，加速度可以表明結構沖擊振動情況。在該模型中，底板底部等效車輛地板，用底板內能表示底板的變形情況，以評價車輛的抗變形能力；用炸點正上方底板加速度表示底板受沖擊情況，以評價車輛的抗沖擊性能；這里綜合車輛的抗變形能力和抗沖擊性能來評價車輛的抗爆炸沖擊性能。

從表1可以看出，調整結構因為離地間隙變小，所以防雷板受到的爆炸沖擊更大，傳遞給底板的能量也越大，底板因變形加大所以內能增大；由于底板與防雷板間存在間隙，所以防雷板與底板底部的撞擊得到了緩沖，因此底板的加速度峰值減小許多；調整結構車輛的抗沖擊性能提高了，但抗變形能力降低了，不符合車輛抗爆炸沖擊的性能要求。在調整結構中填充蜂窩夾層結構后，加速度峰值較調整結構又大幅降低，且遠小于初始結構的數值，表明蜂窩夾層結構可以很好地提高車輛的抗沖擊性能；底板內能較初始結構大幅減小，表明蜂窩夾層結構能在車輛離地間隙變小的情況下提高車輛的抗變形能力。由此可以認為蜂窩夾層結構可以提高車輛的抗爆炸沖擊性能。

表1 車輛不同結構仿真值

蜂窩夾層結構的內能在TNT爆炸后2 ms時達到最大并趨于穩定，即其達到穩定變形狀態，因此選擇該時刻分析其變形情況。不同蜂窩夾層結構變形如圖8所示，面內結構變形較面外結構大，其中面內正泊松比結構變形最大。從表1的加速度峰值和蜂窩內能數值可以看出，蜂窩內能越大，加速度峰值越小，即蜂窩夾層結構變形越大，緩沖效果越好。填充面內正泊松比結構時，加速度峰值最小，說明采用該結構時車輛抗沖擊性能最好。

圖8 蜂窩夾層結構變形情況(T=2 ms)

從表1和圖9可以看出，填充不同的蜂窩夾層結構時，底板內能數值接近；面內正泊松比結構與面外負泊松比結構數值相差最大，為7.2%；面內正泊松比結構與面外正泊松比結構相差最小，為1.4%；表明不同夾層結構對車輛抗變形作用相近。

填充面內正泊松比蜂窩夾層時，底板加速度峰值較面內負泊松比結構小18.4%，內能較之大5.1%，兩種結構對應的底板內能相差較小，加速度峰值相差較大，因此，這里認為面內正泊松比結構的抗爆炸沖擊性能最佳。填充面內正泊松比蜂窩夾層結構后，車輛底板內能較初始結構減小26.5%，加速度峰值減小85.8%。綜合評價評價不同的蜂窩夾層結構對車輛的抗爆炸沖擊性能的作用：面內正泊松比>面內負泊松比>面外正泊松比>面外負泊松比。

圖9 底板加速度峰值、內能

大量的研究表明，在多孔結構的基礎上進行功能梯度劃分，其性能較無梯度的同種結構更佳[8,10]。為了進一步提高車輛的抗爆炸沖擊性能，下面選擇面內正泊松比蜂窩夾層結構進行功能梯度分析。

3 功能梯度結構對車輛抗爆炸沖擊性能影響

將面內正泊松比蜂窩夾層結構分為3層，如圖10，以每層蜂窩的胞壁厚度t作為變量進行功能梯度分析；這里定義從F1到F3胞壁厚度逐漸增大為正梯度；各層胞壁厚度范圍為0.5～1.5 mm，設置無梯度、正等差梯度、負等差梯度、正等比梯度、負等比梯度共5種厚度梯度分布，各層胞壁厚度具體數值見表2所示。

圖10 梯度結構設計

梯度結構無等差正負等比正負胞壁厚度/mmF11.000.501.500.501.50F21.001.001.000.870.87F31.001.500.501.500.50

如圖11和表3，具有厚度梯度的結構，胞壁厚度小的部分變形更大，吸收能量更多，對爆炸沖擊的緩沖作用更明顯。采用梯度結構后，底板加速度峰值數值較無梯度結構不同程度的減小，說明梯度結構可以有效地提高車輛的抗沖擊性能。有關數據參見表3。

圖11 梯度結構變形情況(T=2 ms)

厚度梯度無等差正負等比正負加速度峰值/106 (m·s-2)1.890.941.550.951.62蜂窩內能/kJF159.465.119.865.720.3F239.258.334.756.039.0F327.618.550.221.450.7總126.2141.9104.7143.0110.0總質量/kg163.8158.0169.6152.6164.2比吸能/(kJ·kg-1)0.770.900.620.940.67

如圖12，正梯度結構中各層蜂窩間吸收能量的數值差異較負梯度結構大，吸收的能量也更多，因此正梯度結構變形較負梯度結構更大，緩沖作用更明顯，對應的底板加速度峰值也越小。有關數據參見表3。

圖12 蜂窩內能

圖13 底板加速度峰值、蜂窩比吸能曲線

從加速度峰值來看，正等差結構較正等比結構小1.1%，二者分別為無梯度結構時的49.7%、50.3%。從比吸能來看，正等比結構較正等差大4.4%，二者分別比無梯度結構大22.1%、16.9%。因此可以認為這兩種結構對車輛抗沖擊性能作用都很顯著，且具有正等比厚度梯度的結構具有更好的比吸能效應。

與初始結構相比，填充具有正等比厚度梯度的面內正泊松比蜂窩夾層結構時，車輛加速度峰值較初始結構減小91.1%。

4 結論

1) 填充蜂窩夾層結構可以提高車輛的抗爆炸沖擊性能；對提升車輛的抗變形性能，不同的蜂窩夾層結構作用相近；對提升車輛的抗沖性能，面內結構較面外結構好，正泊松比結構較負泊松比結構好；填充面內正泊松比蜂窩夾層結構時，車輛的抗爆炸沖擊性能最佳，車輛底板內能較初始結構減小26.5%，加速度峰值減小85.8%。

2) 選擇面內正泊松比蜂窩夾層結構，以其胞壁厚度為變量進行功能梯度分析。胞壁厚度具有梯度的蜂窩夾層結構較無梯度的結構抗沖擊性能更佳，且正梯度結構較負梯度結構好；正等差和正等比兩種結構的抗沖擊作用相近，正等比結構比吸能效應更佳。填充具有正等比厚度梯度的面內正泊松比蜂窩夾層結構時，車輛加速度峰值較初始結構減小91.1%。