鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能試驗(yàn)與數(shù)值研究

張 晟，陳 偉，高德平

(南京航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu) 工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210016)

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為典型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣重要組成部分，其抗沖擊性能成為國內(nèi)外研究重點(diǎn)。國內(nèi)外對鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和抗沖擊性能方面開展了卓有成效的研究工作。

據(jù)報(bào)道，有學(xué)者針對六邊形鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)沖壓試驗(yàn)以研究其能量吸收特性；還研究了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊下的抗沖擊性能和能量吸收特性及利用有限元方法對蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低速?zèng)_擊數(shù)值模擬，認(rèn)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能受蜂窩壁厚、蜂窩尺寸和沖擊能量的影響。

已開展的研究主要集中鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在中低速度沖擊條件下的抗沖擊性能研究。然而鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為一種與復(fù)合材料類似的“復(fù)合結(jié)構(gòu)”，其在高速?zèng)_擊下的動(dòng)態(tài)特性、抗沖擊性能、能量變換關(guān)系等研究較少。本文對鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)開展抗沖擊性能研究，通過設(shè)計(jì)鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)固持裝置與高速?zèng)_擊數(shù)值模擬方法，開展鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)平板試件高速?zèng)_擊試驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入研究鋁板與蜂窩結(jié)構(gòu)能量吸收與轉(zhuǎn)化規(guī)律及其相互關(guān)系。

1 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊試驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與內(nèi)容

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊試驗(yàn)通過高速?zèng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行。高速?zèng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)、速度測量系統(tǒng)、固持防護(hù)系統(tǒng)、應(yīng)變測量系統(tǒng)和高速紋影系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)主要設(shè)備為一級(jí)輕氣炮，其直徑為60 mm，可發(fā)射彈體的最大質(zhì)量為250 g，最大速度可達(dá)200 m/s；速度測量系統(tǒng)設(shè)置在炮口和固持防護(hù)系統(tǒng)之間，由激光測速儀和速度顯示器等組成；應(yīng)變測量系統(tǒng)由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)組成；固持防護(hù)系統(tǒng)由地基、夾具、防護(hù)鋼板和有機(jī)玻璃防護(hù)板、回收桶組成；高速紋影系統(tǒng)主要包含高速攝影儀、強(qiáng)光源和觸發(fā)裝置等組成。

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件幾何尺寸為250 mm×170 mm×71.6 mm，其中蜂窩芯采用5052鋁合金，厚度為70 mm，由正六邊形蜂窩構(gòu)成，蜂窩胞元壁厚0.06 mm，胞元特征尺寸3 mm；上下鋁面板采用6060鋁合金，厚度均為0.8 mm。模擬葉片采用TC4鈦合金，幾何尺寸為120 mm×45 mm×6 mm矩形塊結(jié)構(gòu)，沖擊端倒圓角。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)果

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊試驗(yàn)共開展7組，試驗(yàn)編號(hào)分別用FJ1～FJ7表示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。除FJ1試驗(yàn)結(jié)果為模擬葉片卡入外，其余6組試驗(yàn)中，模擬葉片均穿透鋁蜂窩夾層平板試件。

表1 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 High speed impact test results of aluminum honeycomb sandwich structure

彈道極限速度

試驗(yàn)中，彈道極限速度()表示彈體50%可能卡入靶板時(shí)的初始速度。工程中通常用模擬葉片穿透鋁蜂窩板后剩余速度為0時(shí)的初始速度來表示。根據(jù)能量守恒規(guī)律，當(dāng)剩余速度為0時(shí)，模擬葉片動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為鋁蜂窩結(jié)構(gòu)變形能以及葉片摩擦等損失的能量，表達(dá)式為：

在理想狀態(tài)下，忽略摩擦等能量損失，模擬葉片動(dòng)能全部被鋁蜂窩結(jié)構(gòu)吸收。因此彈道極限速度可通過試驗(yàn)中模擬葉片初始速度和剩余速度確定，表達(dá)式為：

式中：為模擬葉片初始速度；為模擬葉片剩余速度；為模擬葉片因摩擦等能量損失的速度分量。計(jì)算得到的彈道各極限速度，結(jié)果如表1所示。隨著模擬葉片初始速度增加，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)也逐漸增加，一定程度上反映了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊的應(yīng)變率效應(yīng)。

能量分析

式中：為模擬葉片質(zhì)量；為模擬葉片初始速度；為模擬葉片剩余速度；為摩擦等損耗的能量，主要包含模擬葉片做功摩擦損耗、鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的變性能以及結(jié)構(gòu)變形過程中的動(dòng)能損耗。

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸收的總能量與初始速度關(guān)系如圖1所示。

圖1 高速?zèng)_擊試驗(yàn)中鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)吸收能量與初始速度關(guān)系Fig.1 Relationship between energy absorption and initial velocity of aluminum honeycomb sandwich structure in high speed impact test

由圖1可知，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)穿透后，結(jié)構(gòu)吸收能量隨著初始速度的增加而增加，反映了蜂窩結(jié)構(gòu)吸收能量的應(yīng)變率效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)應(yīng)變率高，吸收能量的能力強(qiáng)。

2 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方法

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊數(shù)值模擬采用商用非線性動(dòng)力學(xué)有限元分析軟件ANSYS/LS-Dyna 971R7進(jìn)行。根據(jù)高速?zèng)_擊試驗(yàn)件幾何尺寸建立模擬葉片與鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。模擬葉片和鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)均采用六面體實(shí)體單元，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)單元數(shù)為314 500個(gè)，模擬葉片單元數(shù)為7 076個(gè)。邊界條件為鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)兩側(cè)節(jié)點(diǎn)固支。

蜂窩夾層的鋁合金平板和模擬葉片的材料模型采用塑性隨動(dòng)模型，蜂窩夾層的蜂窩結(jié)構(gòu)采用26#蜂窩材料模型。26#材料模型(*MAT_HONEYCOMB)可用于表征蜂窩結(jié)構(gòu)各向異性的非線性彈塑性特點(diǎn)，通過定義應(yīng)變率與縮放系數(shù)之間的關(guān)系，在不同的應(yīng)變率下，對材料模型中定義的應(yīng)力應(yīng)變曲線按照應(yīng)變率縮放系數(shù)比例縮放。由不同應(yīng)變率下的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)壓縮響應(yīng)中平臺(tái)階段平均應(yīng)力與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮平臺(tái)階段平均應(yīng)力的比值作為不同應(yīng)變率下的縮放系數(shù)。該系數(shù)不僅能夠模擬鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)變率硬化，同時(shí)也考慮了高應(yīng)變率壓縮過程中，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)中的氣密性效應(yīng)。

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)面板密度為2.7 g/cm，彈性模量為71 GPa，泊松比0.32；鋁蜂窩密度為2.7 g/cm，彈性模量為70 GPa，泊松比0.33；模擬葉片密度為4 440 kg/m，彈性模量為109 GPa，屈服強(qiáng)度為919 MPa，泊松比0.34。

在鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中，模擬葉片與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)之間的接觸采用面與面的侵徹接觸(*ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，蜂窩結(jié)構(gòu)采用單面接觸設(shè)置(*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)，懲罰剛度因子設(shè)為0.1。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

高速?zèng)_擊數(shù)值模擬結(jié)果

針對7組高速?zèng)_擊試驗(yàn)開展相應(yīng)的數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比如表2所示。

表2 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比Tab.2 Comparison between test and numerical simulation of strain gauge data

由表2可知，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性。

應(yīng)變響應(yīng)對比分析

由于鋁蜂窩結(jié)構(gòu)胞元尺寸較小，采用傳統(tǒng)的測試手段難以獲得鋁蜂窩結(jié)構(gòu)細(xì)觀沖擊過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為研究鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在高速?zèng)_擊下宏觀動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在試件兩端鋁面板表面相應(yīng)位置分別粘貼應(yīng)變片，其中1號(hào)應(yīng)變片和2號(hào)應(yīng)變片分別貼在入射面中線下方和中線左側(cè)位置；3號(hào)應(yīng)變片和4號(hào)應(yīng)變片分別貼在出射面的中線下方和中線右側(cè)位置。

FJ7組高速?zèng)_擊試驗(yàn)中，按照鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)兩側(cè)鋁板上粘貼應(yīng)變片的位置，在數(shù)值模擬模型中對應(yīng)的位置提取應(yīng)變響應(yīng)，并進(jìn)行對比。各應(yīng)變片試驗(yàn)與對應(yīng)位置數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，各應(yīng)變片位置的應(yīng)變響應(yīng)，數(shù)值模擬與試驗(yàn)基本一致。

(a)入射面1號(hào)應(yīng)變片

由圖2(a)可知，在0.15 ms時(shí)，模擬葉片撞擊1號(hào)鋁板(入射面鋁板)時(shí)的應(yīng)變達(dá)到峰值，約為20 000 με，隨后周期性的振蕩，并在阻尼作用下逐漸衰減直至穩(wěn)定；數(shù)值模擬在0.8 ms，當(dāng)模擬葉片撞擊2號(hào)鋁板(出射面鋁板)時(shí)，1號(hào)鋁板應(yīng)變產(chǎn)生微幅振蕩，然而試驗(yàn)測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)未出現(xiàn)相應(yīng)的振蕩，數(shù)值模擬穩(wěn)態(tài)應(yīng)變值略高于試驗(yàn)值。

由圖2(b)可知，在0.1 ms時(shí)，模擬葉片撞擊1號(hào)鋁板(入射面鋁板)時(shí)的應(yīng)變達(dá)到峰值，約為14 000 με，與1號(hào)應(yīng)變片在響應(yīng)時(shí)間與應(yīng)變峰值上均存在一定差異；隨后周期性的振蕩，并在阻尼作用下逐漸衰減直至穩(wěn)定；數(shù)值模擬在0.8 ms，當(dāng)模擬葉片撞擊2號(hào)鋁板(出射面鋁板)時(shí)，1號(hào)鋁板應(yīng)變產(chǎn)生微幅振蕩，然而試驗(yàn)測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)同樣未出現(xiàn)相應(yīng)的振蕩，數(shù)值模擬穩(wěn)態(tài)應(yīng)變值與試驗(yàn)值基本一致。

由圖2(c)可知，在0.8 ms時(shí)，模擬葉片撞擊2號(hào)鋁板，應(yīng)變達(dá)到峰值，約為13 500 με，隨后周期性的振蕩，并在阻尼作用下逐漸衰減，數(shù)值模擬穩(wěn)態(tài)應(yīng)變值與試驗(yàn)值基本一致。

由圖2(d)可知，在0.8 ms時(shí)，模擬葉片撞擊2號(hào)鋁板，應(yīng)變達(dá)到峰值，約為9 500 με，隨即應(yīng)變達(dá)到反向峰值，約為7 000 με，隨后應(yīng)變周期性振蕩，并在阻尼作用下逐漸衰減，數(shù)值模擬穩(wěn)態(tài)應(yīng)變值與試驗(yàn)值基本一致。

能量分析

葉片沖擊鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)過程中，模擬葉片動(dòng)能逐漸減少，其中大部分由鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)變形吸收，小部分由于摩擦損耗。在模擬葉片穿透鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)1號(hào)與2號(hào)鋁板時(shí)，模擬葉片的動(dòng)能下降速度較快；模擬葉片穿透鋁蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，其動(dòng)能下降緩慢。在沖擊過程中，模擬葉片動(dòng)能的下降基本上是由鋁板的變形以及鋁蜂窩結(jié)構(gòu)胞元壁塌陷、壓實(shí)變形吸收，而且鋁蜂窩結(jié)構(gòu)能量吸收速率較鋁板能量吸收速率低。模擬葉片穿透鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)后，還能少量吸收能量，因?yàn)橛射X蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與模擬葉片之間存在摩擦。

定義高速?zèng)_擊過程中，結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量吸收的能量值為結(jié)構(gòu)的能量吸收率，表達(dá)式：

表3分別列出了沖擊過程中1號(hào)和2號(hào)鋁板、鋁蜂窩結(jié)構(gòu)吸收能量的情況。模擬葉片沖擊2號(hào)鋁板時(shí)中，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)同時(shí)被模擬葉片進(jìn)一步壓縮，該過程中鋁蜂窩結(jié)構(gòu)吸收的能量計(jì)入2號(hào)鋁板能量吸收中。

表3 鋁板、鋁蜂窩結(jié)構(gòu)能量吸收率Tab.3 Energy absorption rate of aluminum plate and aluminum honeycomb structure

由表3可知，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的能量吸收率明顯優(yōu)于鋁板。

3 結(jié)語

本文通過鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的高速?zèng)_擊試驗(yàn)，分析了葉片撞擊速度等因素對結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響獲得了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的極限速度以及結(jié)構(gòu)的能量吸收關(guān)系；建立了鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型，探索了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊的數(shù)值模擬方法，開展了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊的數(shù)值模擬，研究了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在高速?zèng)_擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

(1)通過設(shè)計(jì)合理的固持方式，開展鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊試驗(yàn)。試驗(yàn)中，隨著模擬葉片初始速度增加，結(jié)構(gòu)彈道極限速度也逐漸增加，反映了結(jié)構(gòu)的應(yīng)變率效應(yīng);

(2)通過擬合鋁蜂窩結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型參數(shù)，設(shè)置合理的接觸方式，建立了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速?zèng)_擊數(shù)值模擬方法，并通過高速?zèng)_擊動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；

(3)提出了能量吸收率的概念；高速?zèng)_擊條件下，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)能量吸收率顯著高于鋁板。