聚脲涂覆三維負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)在碰撞沖擊作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)

黃秀峰， 張振華， 巫繼航

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院， 武漢 430033)

近年以來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在大型艦船的防護(hù)和航空航天器的設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。負(fù)泊松比材料或結(jié)構(gòu)在縱向受壓時(shí)會(huì)橫向收縮，在縱向受拉時(shí)會(huì)橫向膨脹[3]。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)擁有特殊的力學(xué)性能和物理性能，具有更優(yōu)越的抗沖擊性能與吸能特性[4-5]。Xiao等[6]采用選擇性激光熔化方法(SLM)制備不同壁厚的鋁蜂窩芯層，采用實(shí)驗(yàn)和仿真方法研究了在高速泡沫彈丸沖擊作用下六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，結(jié)果表明，薄蜂窩芯層會(huì)發(fā)生局部負(fù)泊松比變形，厚蜂窩芯層存在局部負(fù)泊松比變形和膨脹變形共存的變形模式。馬方武等[7]利用LS-DYNA有限元軟件分析了不同沖擊速度對(duì)內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)吸收能量的影響，比較了內(nèi)凹三角形結(jié)構(gòu)與六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力性能。結(jié)果表明，在加載方式、邊界條件和基體材料性能相同的條件下，隨著沖擊速度的提高，內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)可吸收更多的能量且最終變形量小于六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)。陳尚軍等[8]采用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同厚度的負(fù)泊松比金屬蜂窩夾芯板在平頭、半球形和錐形錘頭作用下的抗侵徹行為，結(jié)果表明蜂窩夾芯薄板抵抗半球形錘頭侵徹的能力最好,而蜂窩夾芯厚板抵抗錐形錘頭侵徹的能力最好。張振華等[9]認(rèn)為在球形落錘的中等強(qiáng)度沖擊載荷作用下，金字塔點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)具有良好的吸能效果，結(jié)構(gòu)最終形成以迎沖面、背沖面和芯層區(qū)域組成類(lèi)似“三明治”的破壞形態(tài)。可見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的抗沖擊研究工作已經(jīng)逐步開(kāi)展，但結(jié)構(gòu)類(lèi)型較為單一，主要集中于構(gòu)型較為簡(jiǎn)單的二維蜂窩結(jié)構(gòu)。

聚脲作為一種具有高強(qiáng)度、高韌性、耐沖擊性等優(yōu)越性能的高分子材料，能夠表現(xiàn)出很好的耐機(jī)械應(yīng)力和迅速恢復(fù)變形的能力,引起了研究者們的關(guān)注[10-11]。張青艷等[12]研究了有無(wú)聚脲包覆的混凝土在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)下的變形過(guò)程和吸能特性，發(fā)現(xiàn)包覆聚脲的混凝土在壓縮載荷作用下的吸能效果顯著提高。許帥[13]采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了聚脲彈性體復(fù)合結(jié)構(gòu)在耗能機(jī)制、破壞機(jī)制和速度效應(yīng)等方面的抗沖擊防護(hù)性能，結(jié)果表明涂覆聚脲的背板可以有效地阻止沖擊破壞。Liu等[14]結(jié)合數(shù)值仿真方法研究以聚脲為芯層的夾層結(jié)構(gòu)在不同初始沖擊速度下的抗侵徹性能，發(fā)現(xiàn)聚脲層增加了彈道阻力并具有明顯的吸能效果，有效提高了夾層結(jié)構(gòu)的抗穿透能力。

沖擊載荷作用下艦艇結(jié)構(gòu)的防護(hù)問(wèn)題一直是國(guó)防領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。本研究將目前力學(xué)和材料科學(xué)前沿領(lǐng)域的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)和聚脲超彈性材料結(jié)合起來(lái)，以期達(dá)到更優(yōu)的防護(hù)效能。本文采用增材制造方法制作小尺度四面內(nèi)凹金字塔型負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)，并針對(duì)夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)直桿碰撞沖擊試驗(yàn)研究，比較有無(wú)聚脲涂覆對(duì)負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)變形特征、吸能效果和破壞模式的影響，為負(fù)泊松比點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究提供支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 模型設(shè)計(jì)

碰撞沖擊試驗(yàn)對(duì)象為四面內(nèi)凹金字塔型負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)，分別由前面板、后面板和若干個(gè)單胞結(jié)構(gòu)組成，具體的尺寸如下：

(1)單胞結(jié)構(gòu)：是負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的基本組成部分，采用專(zhuān)利[15]設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)型式。每個(gè)單胞結(jié)構(gòu)由上、下面的8根方桿和內(nèi)部的28根圓桿組成，如圖1所示。單胞結(jié)構(gòu)的尺寸為：方框邊長(zhǎng)B=25 mm，高度H=28 mm，總長(zhǎng)W=31 mm；桿件伸出長(zhǎng)度a=1 mm，b=3 mm，方桿厚度及圓桿直徑d=3 mm；斜桿在XY平面的投影與Y軸的夾角α=20°，斜桿在XZ平面的投影與Z軸的夾角β=50°。

單胞結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度ρ*為桿件的實(shí)際體積V*與單胞結(jié)構(gòu)所占的空間體積V之比，如式(1)所示。將單胞結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)帶入，得到該型單胞結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度為0.125。

(1)

由于本文所述的單胞微結(jié)構(gòu)較多，桿件較多、尺寸較小、構(gòu)型較為復(fù)雜，常規(guī)工業(yè)難以加工。為制備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，利用Raise3D Pro2型號(hào)的3D打印機(jī)加工制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑶疫x用聚碳酸酯(PC)作為打印材料制作點(diǎn)陣模型。PC材料的具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料PC的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of polycarbonate

(2) 負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)：試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸灿?層芯層，每層由8個(gè)單胞結(jié)構(gòu)組成。如圖2所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚗方向有8個(gè)單胞結(jié)構(gòu)，Y方向有1個(gè)單胞結(jié)構(gòu)，Z

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.2 Schematic diagram of experimental model

方向有3個(gè)單胞結(jié)構(gòu)。面板采用普通鋼，厚度c=3 mm，長(zhǎng)度L=248 mm,芯層高度h=78 mm。用高強(qiáng)度AB膠緊密黏結(jié)面板與芯層，面板的兩端用螺栓固定在支座上。前、后面板對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)單向電阻應(yīng)變片，如圖3所示。

圖3 前、后面板布置圖Fig.3 Layout of front and rear panels

(3)聚脲涂覆：為研究涂覆聚脲對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)使用Air++1671型號(hào)的高性能聚脲防護(hù)材料，采用完全浸泡的方式將模型多次翻轉(zhuǎn)浸沒(méi)使得表面均勻涂覆。Air++1671型號(hào)聚脲的各項(xiàng)指標(biāo)如表2所示。試驗(yàn)之前，根據(jù)GB /T 23446—2009《噴涂聚脲防水涂料》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所有涂覆聚脲的模型都在溫度23 °C、相對(duì)濕度50%的條件下自然干燥7天以上。制作好的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿绫?所示，共包含2個(gè)涂覆聚脲的模型，2個(gè)未涂覆聚脲的模型，編號(hào)為1～4。

表2 Air++1671型號(hào)聚脲的性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of Air++1671 polyurea

表3 模型分類(lèi)Tab.3 Classification of models

1.2 試驗(yàn)實(shí)施

如圖4所示，碰撞沖擊試驗(yàn)裝置主要由氣壓機(jī)、霍普金森桿、測(cè)速儀、Panasonic激光位移傳感器、DHAHS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、高速攝影機(jī)等組成。以霍普金森桿作為碰撞的沖擊桿，沖擊桿的初速度通過(guò)氣壓控制，每次試驗(yàn)均在氣壓計(jì)顯示壓力值為0.6 MPa的情況下發(fā)射，由測(cè)速儀測(cè)得沖擊桿的初始速度和回彈速度，撞擊桿的測(cè)速結(jié)果如表4所示。點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的變形過(guò)程由高速攝影機(jī)記錄。碰撞沖擊過(guò)程中，后面板中心的位移變化由Panasonic激光位移傳感器記錄，采集頻率為4 498.61 Hz。DHAHS動(dòng)態(tài)測(cè)試儀用來(lái)測(cè)量應(yīng)變等信號(hào)，采集頻率為1 MHz。

(a) 試驗(yàn)設(shè)備

(b) 裝置示意圖圖4 沖擊試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Diagram of collision experimental device

表4 試驗(yàn)工況Tab.4 Experiment condition

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 位移分析

2.1.1 前面板中心位移分析

對(duì)高速攝影拍攝到的圖像進(jìn)行處理，以沖擊桿的發(fā)射為零時(shí)刻，得到前面板中心的位移時(shí)程曲線(xiàn)。當(dāng)時(shí)間為50 ms時(shí)，沖擊桿接觸到點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的前面板，各典型高速攝影圖像的標(biāo)注結(jié)果如表5所示。

根據(jù)高速攝影影像得到前面板中心的位移變形數(shù)據(jù)，如圖5所示。碰撞沖擊過(guò)程中，前面板中心的位移時(shí)程可分為三個(gè)階段：快速上升階段、快速衰減階段和振蕩階段。

圖5 前面板中心位移時(shí)程Fig.5 Displacement time-history curve at the center of front panel

(1) 快速上升階段。當(dāng)50 ms≤t≤53 ms時(shí)，前面板在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生大變形，并在52 ms左右達(dá)到位移峰值。其中，1號(hào)模型的最大位移為29.36 mm，2號(hào)模型的位移最大位移為28.47 mm，3號(hào)模型的最大位移為32.02 mm，4號(hào)模型的最大位移為34.39 mm。由于1號(hào)、2號(hào)模型涂覆聚脲，點(diǎn)陣芯層強(qiáng)度得到有效提高，這使得前后面板和芯層可以共同抵御外部沖擊，所以1號(hào)和2號(hào)模型的前面板中心位移最大值小于未涂覆聚脲的3號(hào)和4號(hào)模型。同時(shí)，1號(hào)模型的聚脲厚度小于2號(hào)聚脲厚度，導(dǎo)致1號(hào)模型在碰撞沖擊作用下前面板的中心位移大于2號(hào)模型。3號(hào)模型前面板的沖擊位移小于4號(hào)模型可能存在兩方面的原因。首先，3號(hào)模型在52 ms時(shí)(即表5中3號(hào)模型的第1幅)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)內(nèi)的沖擊應(yīng)力波已經(jīng)使得第三層的芯層發(fā)生破壞；而4號(hào)模型直至64 ms時(shí)(即表5中4號(hào)模型的第4幅)，第三層芯層仍然基本完好。這種差異可能是由于增材制造中的微缺陷引起的，使得4號(hào)模型的前面板吸收了更多的沖擊能量。其次，4號(hào)模型的沖擊速度略高于3號(hào)模型。

(2) 快速衰減階段。當(dāng)53 ms≤t≤57 ms時(shí)，該階段前面板的中心位移達(dá)到峰值后會(huì)快速下降。在快速衰減階段，不同模型所持續(xù)的時(shí)間存在差異，涂覆聚脲模型的衰減時(shí)間較長(zhǎng)。1號(hào)、2號(hào)模型的衰減時(shí)段為53～57 ms，持續(xù)時(shí)間為4 ms，3號(hào)、4號(hào)模型的衰減時(shí)段為53～55 ms，持續(xù)時(shí)間為2 ms。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹行奈灰品謩e從峰值下降了18.66 mm、23.77 mm、7.93 mm、9.99 mm。這反映出未涂覆聚脲的模型，在直桿沖擊作用點(diǎn)附近的點(diǎn)陣單元會(huì)發(fā)生局部斷裂破口，使得沖擊能量無(wú)法得到有效擴(kuò)散。而涂覆聚脲的模型則將沖擊能量進(jìn)一步向芯層內(nèi)部傳遞，因而可以進(jìn)一步阻止前面板繼續(xù)產(chǎn)生大變形，而且涂覆層越厚，前面板變形的降低程度越明顯。

(3) 振蕩階段。當(dāng)t≥57 ms時(shí)，點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)會(huì)重復(fù)經(jīng)歷上升和下降階段，但波動(dòng)幅度明顯減小，前面板的變形逐漸趨于穩(wěn)定。1號(hào)和2號(hào)模型前面板中心的最終位移在12 mm左右，3號(hào)和4號(hào)模型前面板中心的最終位移在25.8 mm左右。

2.1.2 后面板中心位移分析

圖6為Panasonic激光位移傳感器測(cè)量得到的后面板位移時(shí)程曲線(xiàn)。當(dāng)時(shí)間為50 ms左右時(shí)，沖擊桿撞擊前面板，后面板由于前面板的沖擊響應(yīng)產(chǎn)生位移。后面板中心的位移時(shí)程也可分為三個(gè)階段：大變形階段、小范圍振蕩階段和平穩(wěn)階段。

表5 高速攝影圖像Tab.5 High-speed photography images

(1) 大變形階段。當(dāng)50 ms≤t<100 ms時(shí)，后面板在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大變形，并迅速達(dá)到位移峰值。其中，1號(hào)模型的位移最大值為17.12 mm，2號(hào)模型的位移最大值為17.75 mm，3號(hào)模型的位移最大值為6.08 mm，4號(hào)模型的位移最大值為13.51 mm。涂覆聚脲的1號(hào)和2號(hào)模型的后面板位移變形大于未涂覆聚脲的3號(hào)和4號(hào)模型。該階段3號(hào)模型后面板中心的位移峰值明顯小于4號(hào)模型，這主要是由于3D打印時(shí)，原材料可能存在的缺陷導(dǎo)致3號(hào)和4號(hào)模型的芯層強(qiáng)度不完全相同。

(2) 小范圍振蕩階段。當(dāng)100 ms≤t<200 ms時(shí)，后面板的中心位移相比較峰值會(huì)有輕微的下降，并產(chǎn)生小幅度的波動(dòng)。涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型后面板在位移高位振蕩，且產(chǎn)生的振蕩比未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型更劇烈。而3號(hào)、4號(hào)模型的后面板則在位移低位振蕩。

(3) 平穩(wěn)階段。當(dāng)200 ms≤t≤250 ms時(shí)，夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)歷過(guò)碰撞的前兩個(gè)階段，后面板的變形趨于穩(wěn)定狀態(tài)，中心位移基本保持不變。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃竺姘宓淖罱K位移分別為17.05 mm、14.89 mm、4.19 mm和4.63 mm。這反映出涂覆聚脲也會(huì)造成后面板的變形增加，說(shuō)明芯層仍具有承載能力，而無(wú)聚脲涂覆的模型在撞擊點(diǎn)附近的芯層已經(jīng)發(fā)生大范圍破壞，沖擊應(yīng)力得到釋放，因而沖擊能量對(duì)后面板的作用有限。

對(duì)比圖5與圖6，可以發(fā)現(xiàn)模型后面板的位移變形程度小于前面板。后面板中心的位移時(shí)程分段與前面板是相類(lèi)似的，但后面板的響應(yīng)會(huì)遲滯于前面板，這是由于碰撞沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波從前面板傳到芯層再傳到后面板的過(guò)程需要一定的時(shí)間。

圖6 后面板中心位移時(shí)程Fig.6 Displacement time-history curve at the center of rear panel

2.2 速度和加速度分析

2.2.1 速度分析

從圖7給出的速度-時(shí)間曲線(xiàn)，可以看到在沖擊桿撞擊夾層結(jié)構(gòu)的瞬間，即50 ms左右時(shí)速度大幅增加。當(dāng)速度達(dá)到峰值后，曲線(xiàn)呈現(xiàn)波動(dòng)式下降，并經(jīng)歷過(guò)一段時(shí)間的振蕩后達(dá)到穩(wěn)定。1#和3#測(cè)點(diǎn)位于夾層結(jié)構(gòu)的前面板，2#和4#測(cè)點(diǎn)位于夾層結(jié)構(gòu)的后面板。由于夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的芯層起到一定的緩沖效果，當(dāng)應(yīng)力波從前面板傳遞到后面板時(shí)，通過(guò)芯層的反復(fù)振蕩達(dá)到耗散能量的作用，使得后面板的速度響應(yīng)小于前面板。

2.2.2 加速度分析

從圖8給出的加速度-時(shí)間曲線(xiàn)，可以看到在沖擊桿撞擊夾層結(jié)構(gòu)的瞬間，即50 ms左右時(shí)速度快速上升至峰值。當(dāng)速度達(dá)到峰值后，加速度時(shí)程曲線(xiàn)波動(dòng)式下降，并經(jīng)歷過(guò)一段時(shí)間的振蕩后達(dá)到穩(wěn)定，但加速度時(shí)程曲線(xiàn)的振蕩幅度大于速度時(shí)程曲線(xiàn)。

根據(jù)圖8標(biāo)注的加速度峰值，可以觀察到3#測(cè)點(diǎn)的加速度峰值約是1#測(cè)點(diǎn)的2倍，4#測(cè)點(diǎn)的加速度峰值約是2#測(cè)點(diǎn)的2倍，位于后面板的2#、4#測(cè)點(diǎn)的加速度峰值整體上小于位于前面板的1#、3#測(cè)點(diǎn)。

2.3 應(yīng)變分析

從圖9給出的應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)可以看出，在沖擊桿撞擊夾層結(jié)構(gòu)的瞬間，即約在50 ms時(shí)，應(yīng)變發(fā)生急劇變化。在出現(xiàn)明顯的峰值之前，曲線(xiàn)存在一個(gè)波谷的壓縮應(yīng)變。達(dá)到應(yīng)變峰值之后，應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)會(huì)呈現(xiàn)小幅下降，并在達(dá)到最終穩(wěn)定之前仍保留一定的殘余變形。

5#和7#位置的應(yīng)變片位于夾層結(jié)構(gòu)的迎沖面，其中5#位置靠近撞擊點(diǎn)，7#位置靠近固定端。當(dāng)前面板直接受到?jīng)_擊時(shí)，在拉伸力和彎矩的共同作用下，應(yīng)變會(huì)先下降后上升，即5#和7#位置先處于受壓狀態(tài)后處于受拉狀態(tài)。這是由于初始階段沖擊載荷作用造成的彎曲壓應(yīng)變要大于固定端力作用的拉伸應(yīng)變，所以應(yīng)變會(huì)下降到負(fù)值，即呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。隨著沖擊載荷的進(jìn)一步加載，由于固定端的約束，拉伸應(yīng)變會(huì)大于沖擊作用造成的彎曲壓應(yīng)變，因此5#和7#位置的應(yīng)變又會(huì)逐漸增加至大于0，呈現(xiàn)受拉狀態(tài)。

6#和8#位置的應(yīng)變片位于夾層結(jié)構(gòu)的背沖面，其中6#位置靠近背面板中心，8#位置遠(yuǎn)離背面板中心。在前面板的沖擊相應(yīng)下應(yīng)變也會(huì)先下降后上升。這主要是由于碰撞沖擊作用下，碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力波從前面板傳遞到后面板的時(shí)間比后面板發(fā)生響應(yīng)的時(shí)間要短，同時(shí)應(yīng)力波會(huì)在芯層中反復(fù)振蕩，造成出現(xiàn)拉伸應(yīng)變之前會(huì)存在壓縮應(yīng)變。隨著沖擊載荷的進(jìn)一步加載，后面板受到彎曲拉應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的組合作用，所以6#和8#位置的應(yīng)變又會(huì)逐漸增加至大于0，呈現(xiàn)受拉狀態(tài)。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，我國(guó)在與其他國(guó)家進(jìn)行貿(mào)易往來(lái)以及文化交流等方面取得了突破性的進(jìn)展。在各國(guó)文化相互融合的當(dāng)今世界，每一個(gè)國(guó)家的文化發(fā)展都或多或少地會(huì)受到其他國(guó)家文化的影響。由于韓國(guó)與我國(guó)距離較近，兩國(guó)的經(jīng)濟(jì)與文化交流逐漸頻繁，我國(guó)人民對(duì)韓國(guó)文化有了一定的了解，越來(lái)越多的人開(kāi)始學(xué)習(xí)韓語(yǔ)。然而在學(xué)習(xí)韓語(yǔ)的過(guò)程中，由于學(xué)生對(duì)韓國(guó)文化的認(rèn)知與了解存在問(wèn)題，一些人認(rèn)為韓國(guó)文化就是“泡菜文化”，這種片面的認(rèn)識(shí)致使學(xué)生學(xué)習(xí)韓語(yǔ)時(shí)受到阻礙。因此，在韓國(guó)文化教育下如何進(jìn)行韓語(yǔ)教育成為很多人關(guān)注并研究的重點(diǎn)。

用最大正應(yīng)變、殘余應(yīng)變和最小負(fù)應(yīng)變來(lái)表征各試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖冃危绫?所示。圖10(a)和圖10(b)給出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖畲笳龖?yīng)變和殘余應(yīng)變結(jié)果。

(1) 前面板

① 最大正應(yīng)變

在沖擊速度相對(duì)較大的情況下，涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型的最大正應(yīng)變基本上小于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型，這是由于涂覆聚脲的模型是整體在抵抗沖擊，未涂覆聚脲的模型主要是前面板和第一層芯層在抵抗沖擊。涂覆聚脲的2號(hào)模型在7#位置的最大正應(yīng)變略大于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型，這是由于2號(hào)模型受到的沖擊速度最大，迎沖面會(huì)承受更大的變形。

② 殘余應(yīng)變

對(duì)于涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型，由于芯層強(qiáng)度較大，前面板、芯層和后面板能夠共同抵抗沖擊，其前面板趨向于在沖擊作用點(diǎn)處產(chǎn)生局部凹陷，因此靠近局部凹陷點(diǎn)附近的5#測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)變較大，而靠近邊界的7#測(cè)點(diǎn)主要受整體變形的影響，殘余應(yīng)變的數(shù)值較小。對(duì)于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型，由于芯層在沖擊作用下容易發(fā)生脆斷，能量主要消耗在前面板和第一層芯層，且前面板呈“V”型變形，因此前面板的應(yīng)變變化梯度沒(méi)有涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型大，而是由中心向邊界逐漸減小。綜上，在5#測(cè)點(diǎn)，涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型的殘余應(yīng)變大于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型；在7#測(cè)點(diǎn)，涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型的殘余應(yīng)變小于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型。

(2) 后面板

① 最大正應(yīng)變

對(duì)于涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型，后面板6#、8#位置的最大正應(yīng)變大于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型。這是由于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)芯層區(qū)域出現(xiàn)大范圍的坍塌破壞，剩余仍具有承載能力的芯層難以長(zhǎng)時(shí)間作用于后面板，而包覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型的芯層只是表現(xiàn)為塑性變形，后面板會(huì)呈現(xiàn)一定程度的變形。

② 殘余應(yīng)變

由于涂覆聚脲模型的應(yīng)變變化梯度小于未涂覆聚脲模型，而 3號(hào)、4號(hào)模型在最大正應(yīng)變小于1號(hào)、2號(hào)模型的基礎(chǔ)上又快速下降。所以，對(duì)于涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型，6#、8#位置的殘余應(yīng)變遠(yuǎn)大于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型。

根據(jù)圖10(c)給出的模型最小負(fù)應(yīng)變結(jié)果，可以觀察到涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型在5#、6#位置最小負(fù)應(yīng)變的絕對(duì)值小于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型，涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型在7#和8#位置最小負(fù)應(yīng)變的絕對(duì)值基本上大于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型。另外，從圖10還可以發(fā)現(xiàn)，模型的最大正應(yīng)變大于殘余應(yīng)變，未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型的應(yīng)變特征是一致的。

表6 應(yīng)變特征Tab.6 Strain characteristic

2.4 吸能分析

為比較涂覆聚脲與未涂覆聚脲的點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)在碰撞沖擊作用下的吸能效果，通過(guò)測(cè)量沖擊桿撞擊夾層結(jié)構(gòu)前后的速度變化，計(jì)算出沖擊桿的動(dòng)能變化量，從而得到點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)受到碰撞后所吸收的總能量E，如式(2)所示。

(2)

式(2)中E(total energy absorption)表示點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的總吸能，ΔW表示沖擊桿的動(dòng)能變化量，mr表示沖擊桿的質(zhì)量，v1表示沖擊桿撞擊點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)前的入射速度，v2表示沖擊桿撞擊點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)后的回彈速度，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

式(3)中的比吸能SEA (specific energy absorption)，即點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)吸收的總能量E與總質(zhì)量m之比，其中總質(zhì)量m為芯層質(zhì)量mc與面板質(zhì)量mp之和，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

(3)

表7 吸能情況Tab.7 Energy absorption

從表7可以看出，1號(hào)、2號(hào)點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)涂覆聚脲后所吸收的能量大于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)結(jié)構(gòu)，涂覆層較厚的2號(hào)模型的總吸能大于涂覆層較小的1號(hào)模型。這說(shuō)明聚脲厚度較大的點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)在碰撞沖擊作用下能夠吸收更多的能量。涂覆聚脲后點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的比吸能也得到一定的提升，但涂覆聚脲的主要優(yōu)勢(shì)在于減小前面板的內(nèi)凹沖擊變形，保護(hù)夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)部芯層，維持整體結(jié)構(gòu)的承載能力。而未涂覆聚脲的點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)，其前面板在撞擊時(shí)變形較大，內(nèi)部桿件發(fā)生多處脆斷，芯層失去承載能力，結(jié)構(gòu)整體失效。

表7也反映出，無(wú)論點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)是否涂覆聚脲，沖擊桿的回彈速度會(huì)隨著入射速度的增大而增大。

3 變形及破壞模式

3.1 變形模式分析

根據(jù)高速攝影獲得的影像，對(duì)負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)在碰撞沖擊作用下的變形模式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)可分為三個(gè)階段[16-18]，如表8所示。

表8 點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的變形模式Tab.8 Deformation modes of lattice sandwich structures

第一階段：前面板受沖階段。沖擊桿撞擊時(shí)，碰撞沖擊載荷全部作用于前面板的中心區(qū)域，該區(qū)域獲得一定的初始速度，前面板最先出現(xiàn)響應(yīng)，但點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的其余部分保持靜止；

第二階段：芯層局部坍塌階段。迎沖面的部分芯層受到?jīng)_擊開(kāi)始?jí)嚎s，局部區(qū)域產(chǎn)生凹陷變形，但內(nèi)側(cè)芯層及后面板等區(qū)域仍處于靜止?fàn)顟B(tài)；

第三階段：夾層結(jié)構(gòu)整體變形階段。此時(shí)后面板發(fā)生變形，整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)在彎矩和拉伸的共同作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于前面板的進(jìn)一步呈“V”型凹陷，后面板呈“U”型變形。當(dāng)沖擊桿的速度降低至零時(shí)，夾層結(jié)構(gòu)的勢(shì)能達(dá)到最大時(shí)，夾層結(jié)構(gòu)開(kāi)始釋放勢(shì)能，沖擊桿發(fā)生回彈，夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的振蕩后趨于平穩(wěn)。

3.2 破壞模式分析

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖罱K變形如表9所示。根據(jù)碰撞沖擊作用后整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)的變形，將其主要分為以下三個(gè)部分進(jìn)行分析：

表9 破壞模式Tab.9 Destruction modes

(1) 前面板：在沖擊桿的撞擊下，點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的前面板會(huì)呈現(xiàn)“V”型的內(nèi)凹塑性變形，而且與沖擊桿直接接觸的區(qū)域內(nèi)凹程度最大。涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型的內(nèi)凹程度明顯小于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型，聚脲厚度較小的1號(hào)模型變形大于聚脲厚度較大的2號(hào)模型。

(2) 芯層區(qū)域：總的來(lái)看，芯層區(qū)域的變形程度表現(xiàn)出從第一層到第三層逐層遞減。對(duì)于未涂覆聚脲的3號(hào)和4號(hào)點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)，由于點(diǎn)陣單胞材料易發(fā)生脆斷，因此破壞區(qū)域集中于芯層第一層，在上面板的“V”型變形的壓縮下，從固定端到中部的第一層芯層單元幾乎全部壓潰；第二層芯層中部區(qū)域部分壓潰、靠近約束端未發(fā)生破壞；第三層芯層基本保持完整。而涂覆聚脲的1號(hào)和2號(hào)點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)，第一層單元僅在中部個(gè)別單元發(fā)生一定程度的變形；第二和第三層單元由于包覆聚脲并未出現(xiàn)破壞，芯層整體呈現(xiàn)“U”型的彎曲塑性變形模式。

(3) 后面板：由于大部分沖擊能量已經(jīng)消耗在上面板及芯層中，因此后面板的變形一般較小。其中，涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型的后面板呈現(xiàn)較均勻的弧形變形。對(duì)于未涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型，由于第一層壓潰的單元結(jié)構(gòu)阻斷了應(yīng)力波向內(nèi)層結(jié)構(gòu)的傳播，因而后面板變形較小，但變形仍屬于“U”型模式。

在相對(duì)較低的碰撞沖擊強(qiáng)度下，負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)分為前面板、芯層和后面板三個(gè)變形區(qū)域。前面板的變形明顯大于后面板，前面板呈現(xiàn)“V”型的內(nèi)凹變形，后面板呈現(xiàn)“U”型變形模式。涂覆聚脲的芯層破壞程度較小，僅在碰撞點(diǎn)附近的個(gè)別單元發(fā)生破壞，整體呈現(xiàn)塑性的彎曲變形。未涂覆聚脲的芯層會(huì)出現(xiàn)大范圍的坍塌破壞，破壞程度逐層遞減。

試驗(yàn)時(shí)，1號(hào)、2號(hào)模型涂覆聚脲，3號(hào)、4號(hào)模型未涂覆聚脲。根據(jù)一些試驗(yàn)現(xiàn)象可以判斷測(cè)試結(jié)果的可靠性：

(1) 四次試驗(yàn)均在在相同的壓強(qiáng)條件下(0.6 MPa)加壓，考慮到霍普金森桿(Hopkinson)在發(fā)射時(shí)與內(nèi)部膛壁之間可能存在摩擦。所以，通過(guò)測(cè)速儀測(cè)量撞擊負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)時(shí)的沖擊速度，發(fā)現(xiàn)速度數(shù)據(jù)不完全一樣，但四次試驗(yàn)的初速度范圍都在18～19 m/s之間。這說(shuō)明內(nèi)部摩擦力的影響程度有限，速度數(shù)據(jù)是可靠的。

(2) 試驗(yàn)時(shí)，3號(hào)、4號(hào)模型均未涂覆聚脲。在沖擊速度相接近的情況下，可以發(fā)現(xiàn)3號(hào)模型的第三層芯層發(fā)生沖擊損壞，4號(hào)模型的第三層芯層較為完整，這主要是由于打印模型時(shí)存在的微小缺陷。從整體來(lái)看，未涂覆聚脲的1號(hào)、2號(hào)模型，其芯層會(huì)大面積失效，失去承載承載能力；涂覆聚脲的3號(hào)、4號(hào)模型，其芯層發(fā)生彎曲變形，未受到大范圍破壞，仍具有承載能力。這說(shuō)明，微小的打印缺陷并不影響區(qū)分涂覆與未涂覆聚脲之間的破壞模式，對(duì)于最終的變形分析是可靠的。

4 結(jié) 論

利用Raise3D Pro2打印機(jī)制作了四面內(nèi)凹金字塔型負(fù)泊松比點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模型，以霍普金森桿作為沖擊桿實(shí)施碰撞沖擊試驗(yàn)，研究了負(fù)泊松比點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)在有無(wú)聚脲涂覆情況下的變形特點(diǎn)、前后面板的動(dòng)態(tài)應(yīng)變、破壞模式和能量吸收特性。具體結(jié)論如下：

(1) 在碰撞沖擊載荷作用下，點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的前、后面板中心均會(huì)先快速發(fā)生大變形，再經(jīng)歷回落后小幅振蕩，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。后面板中心的位移變形會(huì)相對(duì)遲滯于前面板，前面板的變形程度大于后面板。涂覆聚脲可以大幅降低點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的破壞范圍，并有效削減前面板中心的位移量。

(2) 涂覆聚脲的點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)變形模式屬于總體變形模式，未涂覆聚脲的點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)由于第一層壓潰的單元結(jié)構(gòu)阻斷了應(yīng)力波向內(nèi)層結(jié)構(gòu)的傳播，因而涂覆聚脲的點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的后面板中心的位移變形相比較未涂覆模型更大。

(3) 速度、加速度的峰值與該點(diǎn)到?jīng)_擊點(diǎn)的距離近似為線(xiàn)性關(guān)系。前、后面板的應(yīng)變狀態(tài)表現(xiàn)為先壓后拉，并最終保留殘余應(yīng)變。相較于未涂覆聚脲模型，涂覆聚脲模型迎沖面的最大正應(yīng)變較小；迎沖面靠近沖擊點(diǎn)的殘余應(yīng)變較大，靠近邊界的殘余應(yīng)變較小；背沖面的最大正應(yīng)變、殘余應(yīng)變較大。

(4) 該型點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)在碰撞沖擊作用下會(huì)經(jīng)歷前面板受沖、芯層局部坍塌和夾層結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)三個(gè)變形階段。當(dāng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)未涂覆聚脲時(shí)，前面板呈現(xiàn)內(nèi)凹的“V”型破壞模式，后面板變形不明顯，芯層出現(xiàn)大范圍坍塌失效，破壞程度逐層遞減。當(dāng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)涂覆聚脲時(shí)，前面板的內(nèi)凹程度大幅降低，后面板呈現(xiàn)“U”形變形，芯層完整并表現(xiàn)為塑性彎曲變形。