夾層結構抗沖擊性能研究綜述

孟令輝

（聊城大學建筑工程學院）

0 引言

隨著近年來意外撞擊和恐怖襲擊事件的頻發，防護結構成為了公眾關注的熱點，對防護結構的抗沖擊性能也提出了更高的要求，政府和工程界不斷地關注沖擊防護結構的設計，努力尋求兼有輕質和某些優良性能相結合的結構以滿足不同的需求。由于夾層結構具有輕質、強度高、剛度大、良好的吸能減振和隔聲等優異性能，自上個世紀四五十年代以來，被廣泛應用于航空航天、船舶和建筑等沖擊防護領域。圖1 顯示了從2013 年到2022 年十年間研究夾層板沖擊性能的期刊數量?？傮w來看，夾層板的在國內外的研究熱度不斷上升，這也表明夾芯板的功能已經被發現和認可。

1 結構形式及材料

夾層結構是輕型的多功能復合結構，通過在兩個薄而堅硬的表面之間嵌入一個承載力相對較為薄弱的輕質厚芯層而構成，面層-芯層界面是夾層結構中最薄弱的部分。粘合劑通常用在這個界面上，將上、下端面層與內芯粘合，圖2 是一個典型的夾層結構[1]。

夾層結構中根據夾芯材料與結構形式的不同可以分為：泡沫夾層結構、蜂窩夾層結構、梯形板夾層結構和其他新型夾層結構[2]，見圖3。構成結構的材料有金屬、環氧樹脂、聚氨酯泡沫、玻璃纖維、塑料、木材等。

2 沖擊響應實驗

Cheng Y 等人[3]研究了U 型波紋夾層板在不同沖擊速度、不同位置下的板材的變形模式、荷載-位移變化階段以及在整個沖擊過程中夾層板的能量吸收情況，研究結果表明：夾層板呈現三個破壞階段，夾芯層正面和芯材吸收了沖擊的大部分能量。Wang Y 等人[4]將鋼-聚氨酯泡沫-鋼-混凝土-鋼（SPUFSCS）面板分為“軟”、“硬”兩層的疊合夾層結構，通過落錘沖擊系統研究其動力響應，研究結果表明：“軟”層是整個面板承受沖擊能量的關鍵之處，硬層則是衡量面板損壞水平的標準，板沖擊力的增加速度與錘頭接觸板后的位移成反比，整個夾層結構表現出局部和整體變形的綜合破壞模式。He W等人[5]對X-Frame 夾芯結構進行低速動態響應分析，并對不同面層材料進行比較，研究結果表明：復合材料夾層結構比鋁制夾層結構更容易遭受沖擊破壞，但在穿孔情況下，前者比后者吸收了更多的沖擊能量，所以復合材料夾層結構具有更好的抗沖擊能力。He W 等人[6]研究由CFRP 面層和鋁合金波紋芯層組成的混合夾層結構的低速沖擊響應和剩余抗彎行為，研究結果表明：破壞取決于沖擊能量和沖擊位置。即使沖擊能量低于10J，殘余抗彎強度也會明顯下降，而隨著沖擊能量的進一步增加，殘余抗彎強度也會略有下降。Meram 等人[7]重點分析芯/面界面性能對鋁蜂窩夾層板的沖擊響應的影響。使用五種不同的粘合劑連接芯層與面板，產生了五種不同的芯/面界面阻力，實驗結果表明：界面阻力與破壞機制高度相關，通過使用高阻力的界面粘合劑，夾層板的脫粘面積、撓度減少，吸收的沖擊能量增大。Liu Y 等人[8]研究在低速沖擊情況下錐形、半球形和扁平的沖擊器對波紋芯材夾層板抗沖擊性能的影響。研究結果表明：較鈍的沖擊器產生較高的峰值力、較高的最大力。在非穿孔情況下，錐形沖擊器沖擊的樣品吸收的沖擊能量最大，扁平沖擊器沖擊的樣品吸收的能量最小，在穿孔情況下則相反。Lu J 等人[9]研究了平鋼板-混凝土-波紋鋼板（FS-C-CS）夾層板的沖擊響應，研究結果表明：面板的變形模式包括全局彎曲和局部壓痕，夾層板的抗沖擊性能隨著波紋板高度和厚度的增加而普遍提高，變形量更小，沖擊力和峰值后平均力更大。劉孫濤等人[10]對套管吸能層-加勁肋雙鋼板混凝土組合板的抗沖擊性能進行研究。研究結果表明：所有加勁肋雙鋼板混凝土組合板均表現出整體彎曲和局部凹陷的組合變形模式，吸能層的存在能夠顯著減小套管吸能層-加勁肋雙鋼板混凝土組合板的沖擊變形，并提高沖擊承載。Zhang 等人[11]為了提高蜂窩夾層結構的抗沖擊性，在蜂窩孔中填充了金屬管，對蜂窩夾層結構的落錘沖擊響應進行了實驗研究。結果表明：管狀填料的加入使前后面的應力和變形分布更加均勻，同時能更快地吸收沖擊能量，并且正面和背面的最大撓度分別減少了18.6%和36.4%。Xue X 等人[12]研究帶碳/玻璃纖維混合物面層的蜂窩狀夾層在低速/重質量下的抗沖擊性能，結果表明：不同蜂窩芯高度的蜂窩夾層結構的總破壞高度幾乎沒有變化，上層表皮所分擔的沖擊能量隨著蜂窩核心高度的增加而增加。

根據以上所述總結了不同夾層板核心材料的優缺點，見表1，并對不同芯材的研究量作了總結，見圖4。

表1 夾層板不同芯材的優點和缺點

3 理論建模方法

Crupi V 等人[13]基于能量平衡模型，利用斷層分析對鋁蜂窩夾層的沖擊響應進行了研究，對其失效模式進行理論建模，從而預測夾層的失效機制。Alonso L 等人[14]提出了一個基于能量的理論模型，分析了帶有PVC 可壓碎泡沫核心的夾層復合材料結構在高速沖擊下的性能。將能量吸收分為六個不同階段，并有相應的能量吸收機制。Crupi d 等人[15]開發了一個分析模型，用于預測面層由玻璃纖維組成的鋁制泡沫夾層結構在低速沖擊下的峰值載荷，在能量平衡模型的基礎上，用理論方法研究了三明治的沖擊反應，模型參數是通過對被沖擊的面板進行斷層分析獲得的。王哲等人[16]對V 型和U 型兩種波紋夾層板進行建模，研究其在沖擊載荷作用下的位移響應，并探究了有限元模型網格的敏感性。楊晶晶等人[17]建立了鋁褶皺夾芯板低速沖擊數值模型，探究幾何參數的改變對夾層板抗沖擊性能的影響，采用不同沖擊能量進行仿真計算，在有限元模型中面板和芯層的鋁合金采用各向同性彈塑性模型，為防止穿透，對模型定義了通用接觸，采用與“面-面”接觸相同的屬性設置。

4 總結與展望

通過對夾層結構沖擊動力學研究文獻的調研發現，近年的研究以實驗研究和數值模擬為主。實驗研究能直接明了地觀測變形過程、破壞模式，得出的數據更接近實際工況，可靠性更高。但由于結構本身的制造缺陷、測量儀器精度不足等客觀原因導致存在誤差，并且實驗技術難度大，難以施加任意方向的荷載，受實驗環境、實驗設備限制較多，部分實際工況無法進行實驗，實驗的成本較高。數值模擬能夠分析不同邊界條件及材料行為，預測內力、應變等，且精度較高，數值模擬靈活性高，可以對結構的各個測點、各個區域進行全角度分析。但由于有限元軟件的數據庫不是很完善，數值模擬能夠采用的模型仍然存在局限性，同時模型的材料特性難以完全契合實際材料屬性，而且在模擬過程中需要對結構進行簡化計算。

夾層結構質量輕、抗沖擊性能好、使用靈活、性價比高，對于預防意外撞擊、防止連續性倒塌、保障人員生命安全具有重要作用，夾層結構作為一種輕質高效結構在建筑領域得到了廣泛應用，但其性能受材料的限制較大，所以在未來發展過程中，要重點關注夾層結構材料的使用性能，通過尋找更加輕質、高強的材料去提高夾層結構的發展空間。