高強鋼絲編織點陣結構材料的制備及其靜壓試驗研究

陳 鵬，汪 敏，2，陳輝國，黃祺臨，劉盈豐

(1.陸軍勤務學院 軍事設施系，重慶 401311；2.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094；3.重慶對外建設(集團)有限公司，重慶 401121)

點陣夾芯結構最初由A.G.Evans等[1]提出，主要由上下面板和中間芯層通過一定方式連接形成，是輕質多孔、規則有序的結構，具有較高的比強度、比剛度，有著良好的隔音降噪、隔熱散熱、減振吸能、抵抗沖擊等性能[2]。目前點陣結構材料的常見制備方法有熔模鑄造法、沖壓折疊法、電火花切割法、增材制造法、3D打印成型以及金屬絲編織法等[3-8]，這些方法制備條件不同，制備的點陣結構材料性能各異，各有優劣。

隨著材料科學和工業技術的不斷發展，金屬點陣結構材料受到了航空航天、武器裝備、生物醫學等應用領域的極大關注。金屬點陣結構材料良好的抗爆吸能特性使得在抗爆炸沖擊領域有了長遠的發展，在艦船、裝甲等的抗爆防護方面的應用研究也越來越多[9-12]。但目前將金屬點陣結構材料用于工程設施防護的研究還比較少，關于金屬點陣結構材料的研究主要集中于精細化、小尺寸結構，并不符合工程設施大尺度結構形式的要求。傳統制備方法的條件要求苛刻、成本高昂，且普遍利用焊接的方法對金屬絲交叉點進行連接，在與面板連接制備點陣材料夾芯板時，也是將芯層與面板進行焊接連接，焊接對制造工藝要求較高，僅能采用中低強度金屬絲進行編織焊接組裝，且焊接缺陷會降低點陣結構材料的整體力學性能，這就造成在實際工程應用中，金屬絲編織點陣結構材料的力學性能往往達不到要求，不適合在工程領域大范圍推廣使用。利用高強鋼絲編織成二維網狀結構并組裝成相關的體系(被動防護網、拱架金屬網組合柔性棚洞等)，用于抗沖擊防護的研究愈來愈多，且編織拼裝工藝逐漸成熟[13-14]。因此，為充分發揮高強鋼絲的強度、可塑性和變形吸能等特性，將高強鋼絲編織的二維網狀結構擴展到三維網狀結構，即將高強鋼絲編織成三維點陣結構材料，作為制備點陣夾芯結構的核心耗能層。本文提出了一種新的高強鋼絲編織點陣結構材料制備方法，并將點陣結構材料與上下面板連接制作成夾芯結構試件，對其進行豎向靜壓試驗研究，研究結果可以為此類點陣結構材料的工程應用提供參考。

1 制備工藝

1.1 試驗原材料

制備高強鋼絲編織點陣結構材料的主要原材料包括高強鋼絲、鋼板和螺釘。所用高強鋼絲為82B特種盤條，經酸洗磷化、初拉拔、鉛浴淬火、表面熱鍍鋅-5%鋁-混合稀土合金、連續多次拉拔成型(先鍍后拔)等主要定制工藝加工而成，以保證鋼絲具有極高的抗拉強度、韌性、通條性、表面合金鍍層的高致密性及與鋼絲基體的高附著性。高強鋼絲的拉伸應力-應變關系曲線如圖1所示，極限抗拉強度約為1 850 MPa，極限應變約為0.030，折彎次數22次以上，扭轉次數25次以上，采用直徑為2 mm和3 mm鋼絲進行點陣結構材料的制作，2 mm鋼絲極限抗拉能力不小于5.5 kN，3 mm鋼絲極限抗拉能力不小于12.5 kN。所用鋼板為Q235鋼板，所用螺釘為M8*1.25*12的沉頭螺釘。

圖1 高強鋼絲拉伸應力-應變曲線

1.2 材料加工流程

對高強鋼絲進行校直并裁剪，將高強鋼絲的一端插入特別設計的三維折彎機如圖2所示，圖中a為送絲輪，b為導絲筒，c為轉頭，d為定位盤，送絲輪可以完成自動送絲，導絲筒可以進一步固定鋼絲走向，通過轉頭繞軸轉動來完成鋼絲的彎折，調節定位盤到轉軸的距離可控制鋼絲段的長度，通過開關控制三維折彎機的啟停，由此完成三角螺旋式鋼絲的制作，如圖3所示。

圖2 三維折彎機

圖3 三角螺旋式鋼絲

如圖4所示，將高強鋼絲進行對折，將其兩端分別插入由車床改造的雙絞機轉盤中間的兩對稱小孔，同時在轉盤中間的大孔處插入芯棒，將對折處通過螺釘擰緊固定，通過轉盤的轉動來完成鋼絲的雙絞成型，由此完成閉口雙絞鋼絲的制作，如圖5所示。在加工閉口雙絞鋼絲時，均采用直徑2 mm的高強鋼絲制作。

圖4 雙絞機

圖5 閉口雙絞鋼絲

對鋼板進行裁切以制備面板、壓條，在面板兩側進行數控點孔并鉆孔、翻孔(便于擰緊螺釘，并使螺釘頭部不凸出面板)，對壓條進行數控點孔并鉆孔、攻絲，面板與壓條的鉆孔位置和距離要相對應，便于芯層與面板通過螺釘、壓條進行緊固連接。

1.3 材料裝配流程

三角螺旋式鋼絲按上下正反(上部三角螺旋式鋼絲的頂點對準下部三角螺旋式鋼絲的平直段中點，上部三角螺旋式鋼絲的平直段中點對準下部三角螺旋式鋼絲的頂點)，左右交叉(左右布置的三角螺旋式鋼絲按其平直鋼絲段長度的二分之一進行交叉)的規則排列，分別在上、下部三角螺旋式鋼絲的頂點和平直段中點交叉位置旋接閉口雙絞鋼絲(芯層中間鋼絲交叉位置不插入閉口雙絞鋼絲，左右兩側的閉口雙絞鋼絲應同時旋接3根三角螺旋式鋼絲，中間的閉口雙絞鋼絲則要同時旋接4根三角螺旋式鋼絲)。通過重復此操作，將閉口雙絞鋼絲與三角螺旋式鋼絲旋接成三維空間結構，由此組裝成點陣結構材料的芯層，其具體裝配過程如圖6所示。

圖6 芯層裝配過程(前視圖)

在芯層的三角螺旋式鋼絲內部沿其螺旋方向插入壓條，壓條與閉口雙絞鋼絲平行，將壓條的螺孔與面板所鉆孔對齊，由面板一側插入沉頭螺釘并擰緊。重復此操作，完成所有壓條與面板的螺釘連接，確保芯層與上下面板連接緊固，高強鋼絲編織點陣結構材料整體結構形式如圖7所示(不含上面板，上面板與下面板對稱布置，圖中藍色部分表示上部三角螺旋式鋼絲，紅色部分表示下部三角螺旋式鋼絲，棕色部分表示閉口雙絞鋼絲，黃色部分表示壓條，粉色部分表示螺釘，綠色部分表示面板)。

圖7 高強鋼絲編織點陣結構材料

2 試驗

2.1 試驗方案

試驗在液壓萬能試驗機上進行，為了研究不同材料參數對點陣結構材料力學性能的影響，共對6個點陣試件進行靜壓試驗，如圖8所示，各試件芯層材料參數如表1所示。考慮到萬能試驗機壓盤長寬為300 mm×300 mm，因此制備的點陣試件上下面板尺寸均為300 mm×300 mm×2.5 mm。由于各試件芯層采用相同規格的閉口雙絞鋼絲和不同規格的三角螺旋式鋼絲制作，所以芯層質量不隨三角螺旋式鋼絲的直徑和芯層高度的變化而成比例變化。

圖8 點陣結構材料試件

表1 芯層材料參數

試驗時，將試件置于萬能試驗機的下壓盤上，使面板與壓盤對齊，并調整上壓盤使其輕觸試件，試件安裝如圖9所示。試驗采用位移控制方式，控制穩態壓縮速率為2 mm/min，以此對試件進行加載。由于制備試件采用的螺釘有一定長度，為避免螺釘受荷載作用對試驗結果造成影響，在螺釘將要接觸之前即開始卸載，以獲得較為完整的壓縮力學行為[15]，卸載時控制位移速率仍保持2 mm/min，當萬能試驗機卸載至0 kN時停止試驗。

圖9 試件安裝

2.2 試驗現象及變形特征

通過對試驗過程中芯層鋼絲的變形情況和荷載變化的分析，研究高強鋼絲編織點陣結構材料的變形規律和耗能效果。各試件在壓縮過程中變形情況大致相同，以試件3為例分析試驗現象。根據加卸載階段試驗數據，得到試件3在靜壓試驗過程的荷載-位移曲線(含卸載段)，如圖10所示。試件3在試驗過程中的變形情況如圖11所示，圖中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)和(h)分別對應圖10荷載-位移曲線中0、10、20、30、40、50、60 mm及試件卸載至0 kN所對應位移的變形情況。可以看出，隨著不斷加壓，芯層鋼絲壓彎屈曲，芯層逐漸被壓縮密實，卸載后的芯層變形有一定恢復。

圖10 試件3荷載-位移曲線

圖11 試件3壓縮變形情況

根據試件加載段的荷載-位移曲線，由式(1)(2)換算得到試件的壓縮應力-應變曲線，如圖12所示。

圖12 應力-應變曲線

(1)

(2)

式中：σ為試件的壓縮應力值；F為荷載；A為芯層的面積；ε為試件的壓縮應變值；l為壓縮位移；h為芯層的高度。

對應力-應變曲線進行分析可知，各試件的曲線走勢大致相同，可分為4個階段：

第一階段是初始時的應力波動階段，在初始加載階段，由于部分高強鋼絲沒有與面板貼緊，此時未貼緊的高強鋼絲受力不穩定，試件應力出現波動，圖11中(a)圖對應的變形情況處于該初始階段。

第二階段是應力接近線彈性上升階段，待所有鋼絲貼緊受力穩定后，試件壓縮進入線彈性階段，具有較好的線性結構響應，此時芯層鋼絲沒有產生明顯的彎曲變形，芯層鋼絲的橫截面應力小于其屈服應力，圖11中(b)圖對應的變形情況大致處于該階段。

第三階段是應力下降階段，應力值達到波峰后，由于芯層鋼絲受壓發生屈曲失穩，同時由于芯層鋼絲處在空間結構中，受力并不在同一平面，芯層鋼絲同時承受彎矩和扭矩，導致其產生彎扭屈曲變形，應力呈下降趨勢，橫截面應力等于屈服應力[16]，隨著試件的進一步壓縮變形，試件承載能力下降，應力開始下降達到波谷，這一階段過程中，局部位置形成塑性鉸，圖11中(c)、(d)圖對應的變形情況處于該階段。

第四階段是應力再次上升階段，隨著結構的進一步壓縮，彎曲的鋼絲進一步變形，并與試件中的其他鋼絲或壓條接觸(見圖13，圖中圓形區域為鋼絲之間的接觸，矩形區域為鋼絲與壓條間的接觸)，產生新的支點，于是試件的應力值再次上升，之后隨著荷載的增大，整個試件越壓越密實，圖11中(e)、(f)、(g)圖對應的變形情況處于該階段。

圖13 鋼絲與鋼絲、壓條之間接觸

由此可見，高強鋼絲編織點陣結構材料在壓縮過程中的主要變形機理是芯層鋼絲的彎扭屈曲變形和局部位置形成塑性鉸，這種變形使得點陣結構材料在受壓過程中吸收大量能量，因此可以在工程設施領域作吸能、抗沖擊防護的結構型材料之用。

3 材料參數的影響

點陣結構材料的性能受三角螺旋式鋼絲的直徑、螺旋角度、芯層高度、組裝方式等因素的綜合影響。從鋼絲直徑、芯層高度2個參數對點陣結構材料性能產生的影響開展研究。

3.1 材料參數對壓縮力學性能的影響

芯層的表觀密度為其質量與結構表觀體積的比值，取應力-應變曲線的線彈性階段的斜率和第1個波峰計算試件的彈性模量、抗壓強度[17-18]，進而計算出試件的比強度、比剛度：

(3)

(4)

(5)

式中：ρ為芯層的表觀密度；m為芯層的質量；V為芯層的表觀體積；P為抗壓強度；Ps為比強度；E為彈性模量；Es為比剛度。

相應計算結果數值如表2所示，由結果可知，當鋼絲直徑一定，芯層高度增加時，其抗壓強度逐漸減小，這是由于芯層高度增加，芯層鋼絲的長細比增大，使得結構在承受壓力載荷時容易產生失穩，從而使得結構抗壓強度減小。此時試件的比強度和比剛度逐漸增大，其中比強度增大幅度較小。當芯層高度一定，鋼絲直徑從2 mm增大到3 mm時，其抗壓強度增大，這是由于鋼絲直徑增大，結構抗彎剛度增加，結構在承受壓力載荷時越不容易產生失穩，從而使得結構抗壓強度增大。此時試件的比強度和比剛度均大幅提升，可見隨著鋼絲直徑的增大，其壓縮力學性能大幅增強。

表2 點陣結構材料的壓縮力學性能

3.2 材料參數對吸能特性的影響

為了進一步研究點陣結構材料的抗爆抗沖擊性能，有必要對其吸能特性進行研究，因此對點陣結構材料單位體積吸收的能量WV、單位質量吸收的能量Wm進行表征分析。壓縮應力-應變曲線下的面積表示吸能量，即單位體積吸收的能量WV；考慮到防護結構輕便化的要求，引入單位質量吸收的能量Wm，分別表示為[19-20]：

(6)

(7)

式中：σ為試件的壓縮應力值；ε為試件的壓縮應變值，取試件加載段最大壓縮應變值(此時試件均壓縮到較為密實狀態)作為積分上限；ρc為芯層的相對密度；ρs為高強鋼絲的密度，ρs=8.0 g/cm3。

根據試驗測得試件芯層的相對密度、單位體積吸收的能量、單位質量吸收的能量如表3所示。

表3 點陣結構材料的吸能特性

由表3可知，當鋼絲直徑一定，芯層高度增加時，其單位體積吸收的能量逐漸減小，單位質量吸收的能量相當。當芯層高度一定，鋼絲直徑從2 mm增大到3 mm時，其單位體積吸收的能量提高近3倍，單位質量吸收的能量提高近1.5倍，可見隨著鋼絲直徑的增大，其吸能效果大幅增強。

4 結論

1) 采用高強鋼絲進行編織組裝，將高強鋼絲引入到點陣結構材料芯層中，較傳統中低強度金屬絲制備的點陣結構材料更有利于力學性能的發揮，可以制備不同鋼絲直徑、不同芯層高度、不同尺寸規格的點陣結構材料。

2) 高強鋼絲編織點陣結構材料壓縮過程是芯層鋼絲的彎扭屈曲變形和局部位置形成塑性鉸，具有較好的吸能效果，可以用作工程設施的吸能、抗沖擊防護結構。

3) 在靜壓試驗中，芯層高度增加時，比強度、比剛度增大而抗壓強度、單位體積吸收的能量減小，單位質量吸收的能量變化較小。鋼絲直徑增大時，壓縮力學性能和吸能特性均大幅增強。