剛性彈體撞擊蜂窩結(jié)構(gòu)高過(guò)載特性

魏欣, 張?jiān)品? 趙奇峰, 隨亞光, 張德志, 張錢(qián)城

(1.西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710024;2.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049)

0 引言

高過(guò)載環(huán)境模擬是武器裝備、航空航天和軌道交通等領(lǐng)域的重要研究方向之一。特別是在兵工領(lǐng)域,隨著高超音速武器、鉆地武器等的廣泛應(yīng)用,其關(guān)鍵零部件在高過(guò)載環(huán)境中的可靠性問(wèn)題尤為突出,高過(guò)載環(huán)境模擬成為制約高新武器裝備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。圍繞高過(guò)載環(huán)境模擬,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。現(xiàn)有的高過(guò)載環(huán)境模擬方法主要包括實(shí)彈射擊法、馬歇特錘擊法[1-2]、落錘實(shí)驗(yàn)法[3-5]、霍普金森桿法[6]和輕氣炮加載法[7-10]等,上述方法在經(jīng)濟(jì)性、過(guò)載波形匹配、適用對(duì)象等方面已無(wú)法滿足現(xiàn)代武器裝備研發(fā)需求。使用裝有關(guān)鍵零部件的剛性彈體撞擊金屬蜂窩結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生特定高過(guò)載信號(hào),通過(guò)改變彈體撞擊速度及蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸,可使彈體軸向過(guò)載信號(hào)連續(xù)可調(diào)。該方案可能成為一種新的高過(guò)載環(huán)境模擬技術(shù)。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行了一定程度的研究。萬(wàn)峻麟等[11]研究了蜂窩結(jié)構(gòu)軸向低速?zèng)_擊性能。Yamashita等[12]等通過(guò)落錘實(shí)驗(yàn)研究了低速加載條件下蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明,在蜂窩結(jié)構(gòu)胞元尺寸相同的條件下,蜂窩壁厚越大,其峰值壓力值越大,正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)峰值壓力高于正方形蜂窩結(jié)構(gòu)。 Zhao等[13-14]通過(guò)霍普金森壓桿法研究了動(dòng)態(tài)壓縮下蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明,當(dāng)沖擊速度為2～28 m/s時(shí),正六邊形鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的面外沖擊屈服壓力比靜態(tài)條件下提高了40%。Wu等[15]和Baker等[16]是為數(shù)不多使用氣炮加載方法研究相關(guān)問(wèn)題的學(xué)者。Wu發(fā)現(xiàn)同一樣品在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中的屈服強(qiáng)度比靜態(tài)下強(qiáng)74%,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在相同面密度條件下使用整體更小的蜂窩結(jié)構(gòu)可以獲得更高的力學(xué)性能。Baker發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)條件下試樣變形為沿著長(zhǎng)度方向均勻分布,而動(dòng)態(tài)條件下變形是從沖擊端傳播的。上述成果主要以蜂窩結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)為研究對(duì)象,對(duì)撞擊體的過(guò)載特性研究鮮有報(bào)道。Zarei等[18]通過(guò)落錘實(shí)驗(yàn)測(cè)得了撞擊蜂窩結(jié)構(gòu)過(guò)程的加速度-時(shí)間歷程曲線。但該方法產(chǎn)生的過(guò)載波形脈寬太短,無(wú)法滿足大尺寸武器高過(guò)載特性模擬需求。

本文通過(guò)剛性彈體高速撞擊不銹鋼正方形蜂窩結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn),研究了彈體加速度、速度和位移-時(shí)間歷程及其變化規(guī)律,和蜂窩結(jié)構(gòu)在沖擊過(guò)程中的力學(xué)行為,探索了該技術(shù)在應(yīng)用于高過(guò)載模擬領(lǐng)域的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)試樣制備及現(xiàn)場(chǎng)布置

1.1 試樣制備

彈體、彈托和彈載存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈體主體為一個(gè)直徑80 mm的圓柱體,為確保彈體對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的面外沖擊,避免侵徹作用,彈體前端設(shè)計(jì)有直徑110 mm的圓臺(tái)。彈體內(nèi)部為直徑60 mm的柱狀空腔,用以安放彈載存儲(chǔ)器,確保彈載存儲(chǔ)器在安放過(guò)程中軸向固定。為使彈體在撞擊過(guò)程中不發(fā)生塑性變形,保護(hù)內(nèi)部的彈載存儲(chǔ)器,彈體選用強(qiáng)度較高的40Cr鋼,也因此可將彈體視為剛性彈體。彈體外包裹有尼龍彈托,可防止劃傷炮管,實(shí)現(xiàn)彈體次口徑發(fā)射。

圖1 彈體、彈載存儲(chǔ)器和彈托示意圖Fig.1 Schematic of the projectile, recorder and sabot

彈載存儲(chǔ)器由傳感器、電路裝置和電池組成:傳感器為壓阻式傳感器,用以測(cè)量彈體加速度信號(hào),置于彈體前端蓋內(nèi);電路裝置主要功能為存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算;電池為整個(gè)彈載存儲(chǔ)器提供能源,電路裝置和電池置于彈體內(nèi)部空腔。彈載存儲(chǔ)器抗過(guò)載能力為1.5×105g(g=10 m/s2),量程為1.2×105g,采樣頻率為5×105s-1,分辨率為60g。在撞擊過(guò)程中,傳感器測(cè)量到的信號(hào)為剛體軸向加速度與彈載存儲(chǔ)器的諧振頻率之和,在后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要進(jìn)行濾波處理。

為減少研究變量,選取正方形蜂窩結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。蜂窩結(jié)構(gòu)在西安交通大學(xué)機(jī)械強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制備,其尺寸如圖2(a)所示,蜂窩結(jié)構(gòu)材料為304不銹鋼,單元邊長(zhǎng)為5 mm,壁厚為 0.3 mm,整體截面尺寸為70 mm×70 mm。為增加彈體撞擊蜂窩結(jié)構(gòu)的過(guò)載脈寬,采用400 mm長(zhǎng)的蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。受制于蜂窩結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有制備工藝,單層蜂窩結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度均控制在100 mm,制作軸向尺寸較大的蜂窩結(jié)構(gòu)需要采取分段焊接的方式。蜂窩結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程如圖2(b)所示,將帶有缺口的金屬板條組裝,涂抹釬焊漿料(Ni-Cr25-P10)后放入釬焊爐進(jìn)行釬焊,形成邊長(zhǎng)100 mm的正方形蜂窩結(jié)構(gòu);將釬焊好的兩段邊長(zhǎng)100 mm的蜂窩結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行釬焊,形成200 mm長(zhǎng)的蜂窩結(jié)構(gòu);兩段 200 mm 長(zhǎng)的蜂窩結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)接后于外部添加鉛塊進(jìn)行氬弧焊接(后文統(tǒng)稱鉛焊),最終制成400 mm長(zhǎng)的蜂窩結(jié)構(gòu)。

圖2 彈體及蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the projectile and honeycomb structure

1.2 實(shí)驗(yàn)布置

實(shí)驗(yàn)布置如圖3所示,裝有彈載存儲(chǔ)器的剛性彈體由西北核技術(shù)研究所130 mm一級(jí)輕氣炮發(fā)射,撞擊固定于大質(zhì)量塊上的蜂窩結(jié)構(gòu),炮口處以激光遮斷法測(cè)得彈體出炮口速度近似為撞擊速度,通過(guò)改變氣炮氣室壓力,可調(diào)節(jié)彈體撞擊速度。圖3中,v為彈體撞擊速度。蜂窩結(jié)構(gòu)側(cè)面架設(shè)高速相機(jī),記錄撞擊過(guò)程中蜂窩結(jié)構(gòu)的變形破壞情況,高速相機(jī)以示波器作為觸發(fā)器,示波器接收到炮口激光遮斷信號(hào)的同時(shí)觸發(fā)高速相機(jī),高速相機(jī)的幀頻率設(shè)置為2×105s-1。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Experimental model

實(shí)驗(yàn)工況如表1所示,共進(jìn)行3發(fā)實(shí)驗(yàn)。以彈體撞擊速度為唯一變量,蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸保持不變,3發(fā)實(shí)驗(yàn)的彈體撞擊速度分別為182 m/s、218 m/s和246 m/s。表1中彈體質(zhì)量為彈載存儲(chǔ)器、彈體、彈托質(zhì)量之和,受加工精度的影響,3發(fā)實(shí)驗(yàn)彈體質(zhì)量有細(xì)微差別。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊壓縮過(guò)程

圖4為第1發(fā)實(shí)驗(yàn)中蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊壓縮過(guò)程。為分析方便,將撞靶時(shí)刻定義為0 ms時(shí)刻。圖4(a)為t=0.45 ms時(shí)刻,此時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)第1段已近乎壓潰,第3、4段釬焊處出現(xiàn)明顯的破壞。圖4(b)為t=0.95 ms時(shí)刻,蜂窩結(jié)構(gòu)第2段已接近完全破壞,但第2、3段連接處依然較完整,表明鉛焊工藝強(qiáng)度較高。圖4(c)為t=1.30 ms時(shí)刻,蜂窩結(jié)構(gòu)第2段已完全被壓潰,第3、4段連接處也出現(xiàn)明顯的壓潰現(xiàn)象。圖4(d)為t=2.65 ms時(shí)刻,此時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)完全被壓潰。

圖4 第1發(fā)實(shí)驗(yàn)蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊壓縮過(guò)程(v=182 m/s)Fig.4 Impact compression process of the honeycomb structure in the first experiment (v=182 m/s)

圖5為第2發(fā)實(shí)驗(yàn)中蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊壓縮過(guò)程。圖5(a)為t=0.35 ms時(shí)刻,此時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)前端與第1、2段釬焊處已出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。圖5(b)為t=0.80 ms時(shí)刻,可以看到蜂窩結(jié)構(gòu)第2、3段鉛焊處發(fā)生彎折,表明該組實(shí)驗(yàn)的鉛焊處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱,鉛焊工藝的穩(wěn)定性較差。圖5(c)為t=1.25 ms時(shí)刻,可以看到蜂窩結(jié)構(gòu)第3段發(fā)生整體彎折,由于整體彎折的吸能作用,在彈體到達(dá)前第3、4段釬焊處并未出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。圖5(d)為t=2.20 ms時(shí)刻,蜂窩結(jié)構(gòu)被整體壓潰。

圖5 第2發(fā)實(shí)驗(yàn)蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊壓縮過(guò)程(v=218 m/s)Fig.5 Impact compression process of the honeycomb structure in the second experiment (v=218 m/s)

圖6為第3發(fā)實(shí)驗(yàn)中蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊壓縮過(guò)程。圖6(a)為t=0.25 ms時(shí)刻,此時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)前端與第1、2段釬焊處已出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。圖6(b)為t=0.65 ms時(shí)刻,此時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)前端與第1、2段釬焊處已出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。圖6(c)為t=1.00 ms時(shí)刻,蜂窩結(jié)構(gòu)第1、2段已完全壓潰,第3、4段釬焊處出現(xiàn)明顯的壓潰現(xiàn)象,且第3、4段間出現(xiàn)錯(cuò)位。圖6(d)為t=2.00 ms時(shí)刻,蜂窩結(jié)構(gòu)被整體壓潰。第3發(fā)實(shí)驗(yàn)蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊壓縮過(guò)程與第1發(fā)實(shí)驗(yàn)相似,壓潰現(xiàn)象發(fā)生次序?yàn)榉涓C結(jié)構(gòu)前端,1、2段釬焊處和3、4段釬焊處,而2、3段鉛焊較為牢固,在彈體到達(dá)前未發(fā)生壓潰。對(duì)比3發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,第2發(fā)實(shí)驗(yàn)鉛焊強(qiáng)度低,導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)第3段整體彎折,應(yīng)屬加工工藝不成熟導(dǎo)致的偶然現(xiàn)象;第1、3發(fā)實(shí)驗(yàn)的蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊壓縮過(guò)程為加工工藝合格時(shí)的典型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖6 第3發(fā)實(shí)驗(yàn)蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊壓縮過(guò)程Fig.6 Impact compression process of the honeycomb structure in the third experiment (v=246 m/s)

2.2 剛性彈體加速度響應(yīng)規(guī)律

圖7～圖10為第1發(fā)實(shí)驗(yàn)彈載存儲(chǔ)器測(cè)得的全彈道加速度歷程。從t=0 ms時(shí)刻開(kāi)始,加速度曲線比較平緩,隨后有一段小幅震蕩,峰值在1 000g以內(nèi),再進(jìn)入大幅震蕩。從小幅震蕩到大幅震蕩之間共經(jīng)歷了6.23 ms,假設(shè)小幅震蕩為彈體撞擊塑料薄膜時(shí)的過(guò)載,彈體撞擊速度為182 m/s,算得該段時(shí)間彈體移動(dòng)距離為1.13 m,而炮口距蜂窩結(jié)構(gòu)頂端1.12 m,可判定前端小幅震蕩曲線為彈體撞擊炮口塑料薄膜時(shí)的加速度曲線,而大幅震蕩曲線起始時(shí)刻即為撞靶時(shí)刻,這一結(jié)論在剩余2發(fā)的數(shù)據(jù)中也得到了驗(yàn)證。曲線大幅震蕩后出現(xiàn)持續(xù)的減加速度,減加速度未歸零,與實(shí)際情況不符,判斷蜂窩結(jié)構(gòu)完全壓縮后,彈體撞擊密實(shí)蜂窩結(jié)構(gòu),導(dǎo)致彈載存儲(chǔ)器損壞,數(shù)據(jù)失真。通過(guò)高速攝影圖像可判斷彈體沖擊壓縮蜂窩結(jié)構(gòu)的持續(xù)時(shí)間,后續(xù)研究?jī)H截取從彈體撞靶時(shí)刻到蜂窩結(jié)構(gòu)完全壓縮時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖7 第1發(fā)實(shí)驗(yàn)加速度曲線Fig.7 Acceleration curve of the first experiment

圖8 3種工況下的加速度-時(shí)間歷程曲線Fig.8 Acceleration-time history curves of the three conditions

圖9 3種工況下的濾波加速度-時(shí)間歷程曲線Fig.9 Acceleration-time history curves after filtering of the three conditions

圖10 3種工況下的速度-時(shí)間歷程曲線Fig.10 Velocity-time history curves of the three conditions

圖8為3發(fā)實(shí)驗(yàn)的彈體加速度曲線。結(jié)合高速攝影圖像,可將彈體對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊壓縮分為 3個(gè)階段:階段1為彈體撞擊蜂窩結(jié)構(gòu)瞬間及其后的加速度曲線高幅震蕩階段,可稱為初始沖擊階段,對(duì)應(yīng)蜂窩結(jié)構(gòu)處于彈性階段,未進(jìn)入塑性變形;階段2為加速度曲線維持低幅震蕩階段,可稱為穩(wěn)態(tài)壓縮階段,對(duì)應(yīng)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性與彎折變形,對(duì)彈體的阻力減小;階段3為彈體加速度曲線震蕩幅值再次陡然升高,可稱為密實(shí)壓縮階段,對(duì)應(yīng)蜂窩結(jié)構(gòu)被壓縮密實(shí),彈體阻力陡然增加,由于后期傳感器損壞,無(wú)法準(zhǔn)確判斷出此階段的持續(xù)時(shí)間。

按照參考文獻(xiàn)[18]中的方法,對(duì)彈載存儲(chǔ)器測(cè)試得到的加速度-時(shí)間歷程曲線進(jìn)行頻譜分析,選取5 kHz作為截止頻率進(jìn)行濾波,消除彈載存儲(chǔ)器前端蓋的諧振帶來(lái)的影響。圖9為彈體軸向剛性加速度-時(shí)間歷程。由圖9可以看出:3發(fā)實(shí)驗(yàn)的彈體在初始沖擊階段的過(guò)載峰值相差不大,3發(fā)分別為-2.10×104g、-2.19×104g、-1.93×104g;進(jìn)入穩(wěn)態(tài)壓縮區(qū)后,第1、2發(fā)實(shí)驗(yàn)震蕩幅度相當(dāng),第3發(fā)實(shí)驗(yàn)的震蕩幅度較大;穩(wěn)態(tài)區(qū)持續(xù)時(shí)間隨撞擊速度的增加而減小。3發(fā)實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間分別為2.28 ms、1.65 ms和1.25 ms;密實(shí)區(qū)過(guò)載峰值隨撞擊速度增加而增加,3發(fā)實(shí)驗(yàn)的密實(shí)區(qū)過(guò)載峰值分別為 -2.06×104g、-2.80×104g和-3.45×104g。

Xu等[19]和Wang等[20]分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析發(fā)現(xiàn)了蜂窩結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)平臺(tái)強(qiáng)度與靜態(tài)平臺(tái)強(qiáng)度的關(guān)系。在以上強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)工況,預(yù)測(cè)加速度峰值amax如下:

(1)

(2)

(3)

由表2可見(jiàn),3發(fā)實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)測(cè)的偏差均在10%以內(nèi),結(jié)果表明,理論公式可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從式(1)、式(2)、式(3)中可以看出,加速度峰值的大小是由蜂窩結(jié)構(gòu)自身坍塌強(qiáng)度和彈體質(zhì)量決定的:通過(guò)改變彈體撞擊速度和蜂窩結(jié)構(gòu)厚跨比,可以改變蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和等效密度,以達(dá)到改變蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)彈體的阻力;通過(guò)改變彈體質(zhì)量可以改變相同阻力下的加速度;通過(guò)以上方法可以改變蜂窩結(jié)構(gòu)的過(guò)載峰值。

表2 實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)測(cè)的加速度峰值對(duì)比

2.3 剛性彈體速度響應(yīng)規(guī)律

圖10為彈載存儲(chǔ)器與高速相機(jī)獲得的彈體速度曲線,彈載存儲(chǔ)器測(cè)得的速度曲線為加速度曲線積分所得,高速相機(jī)測(cè)得的速度曲線為位移曲線微分所得。與加速度曲線對(duì)應(yīng),速度曲線在3個(gè)階段也有不同的響應(yīng)特征:初始沖擊階段速度曲線快速下降,對(duì)應(yīng)彈體撞擊蜂窩結(jié)構(gòu)后加速度曲線大幅震蕩;穩(wěn)態(tài)壓縮階段速度曲線緩慢下降,對(duì)應(yīng)加速度曲線小幅震蕩;密實(shí)壓縮階段速度曲線再次快速下降,對(duì)應(yīng)蜂窩結(jié)構(gòu)被壓縮密實(shí)后,彈體阻力增大導(dǎo)致的加速度陡然增大。穩(wěn)態(tài)壓縮階段,第3發(fā)實(shí)驗(yàn)的速度曲線斜率明顯大于前兩發(fā),對(duì)應(yīng)第3發(fā)實(shí)驗(yàn)的加速度曲線振幅更大,即蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)彈體的阻力具有應(yīng)變率相關(guān)性,該阻力隨應(yīng)變率增大而增大。曲線后半段,彈載存儲(chǔ)器損壞,以高速相機(jī)圖像處理結(jié)果為準(zhǔn)。

從圖10中可以看出,初始沖擊階段速度曲線呈現(xiàn)階梯狀下降形態(tài)。假設(shè)應(yīng)力波在彈體中大概以彈性桿波速c傳播:

(4)

式中:E為彈體彈性模量,E=206 GPa;ρ為彈體密度,ρ=7.5 g/cm3。由式(4)算得c=5 240 m/s。第1發(fā)實(shí)驗(yàn)速度曲線初始沖擊階段每個(gè)階梯的周期約為0.073 ms,周期內(nèi)應(yīng)力波傳播距離為382 mm,約為2倍彈體長(zhǎng)度,進(jìn)一步驗(yàn)證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

彈體撞擊蜂窩結(jié)構(gòu)后,產(chǎn)生向彈體自由端傳播的壓縮波,壓縮波到達(dá)彈體自由端后,產(chǎn)生向彈體頭部傳播的卸載波,隨著卸載波到達(dá)彈體頭部,彈體完成一個(gè)減速周期,明顯地,速度曲線的階梯狀下降為應(yīng)力波在彈體中周期性傳播導(dǎo)致。從第2發(fā)、第3發(fā)實(shí)驗(yàn)曲線中也可得出相同的結(jié)論。

在蜂窩結(jié)構(gòu)吸能特性的研究中,總吸能量Ebd可表示為

(5)

(6)

式中:Ebd為動(dòng)態(tài)條件下蜂窩結(jié)構(gòu)的總吸能;d為進(jìn)入密實(shí)區(qū)時(shí),蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮量;F(s)為彈體撞擊蜂窩結(jié)構(gòu)的阻力;v0為彈體撞擊速度;v1為進(jìn)入密實(shí)區(qū)時(shí)刻彈體速度;am為彈體進(jìn)入密實(shí)區(qū)前的平均加速度;Fm為彈體平均阻力。如表3所示,3發(fā)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)條件下蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)入密實(shí)區(qū)前的總吸能水平和平均加速度明顯上升。

表3 3發(fā)實(shí)驗(yàn)的總吸能量和平均加速度

王中剛[21]在其研究成果中提出,動(dòng)態(tài)總吸能量Ebd可表示為蜂窩結(jié)構(gòu)靜態(tài)理論吸能量與動(dòng)態(tài)吸能量的相加形式:

(7)

式中:Eb為蜂窩結(jié)構(gòu)的靜態(tài)理論吸能量;D和P為動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型的材料參數(shù);C(μ)為修正系數(shù)項(xiàng),反映了不同厚跨比蜂窩結(jié)構(gòu)在不同加載率下的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,與厚跨比μ密切相關(guān)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,蜂窩結(jié)構(gòu)總吸能量與彈體撞擊速度密切相關(guān),3發(fā)不同撞擊速度的彈體所引起的動(dòng)態(tài)吸能量的變化效果顯著。由此可見(jiàn),加載速率對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)入密實(shí)區(qū)前的總吸能量和平均加速度影響較大。

2.4 剛性彈體位移響應(yīng)規(guī)律

圖11為彈載存儲(chǔ)器與高速相機(jī)獲得的彈體位移曲線,彈載存儲(chǔ)器得到的位移曲線為加速度經(jīng)過(guò)二次積分得到的結(jié)果。由于初始沖擊階段和密實(shí)壓縮階段持續(xù)時(shí)間較短,而穩(wěn)態(tài)壓縮階段速度變化較小,因此彈體位移曲線接近直線。依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),彈載存儲(chǔ)器測(cè)得的位移曲線誤差為10%左右[18]。其誤差主要來(lái)自于:傳感器自身的測(cè)試誤差;加速度數(shù)據(jù)二次積分的累積誤差;數(shù)據(jù)處理時(shí)起始點(diǎn)選擇引起的誤差;彈體沖擊過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)微小變化引起的誤差等。因此,一般可以認(rèn)為采用高速相機(jī)圖像處理獲得的位移曲線較彈載存儲(chǔ)器測(cè)試結(jié)果精確。

圖11 3種工況下的位移時(shí)間歷程曲線Fig.11 Displacement-time history curves of the three conditions

3 結(jié)論

本文通過(guò)剛性彈體高速撞擊不銹鋼正方形蜂窩結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn),研究了彈體加速度-時(shí)間、速度-時(shí)間和位移-時(shí)間歷程及其變化規(guī)律,以及蜂窩結(jié)構(gòu)在沖擊過(guò)程中的力學(xué)行為。得出以下主要結(jié)論:

1)剛性彈體高速撞擊造成的蜂窩結(jié)構(gòu)壓潰是高度局部化的力學(xué)行為,壓潰首先發(fā)生在蜂窩結(jié)構(gòu)頂端,并隨彈體運(yùn)動(dòng)由頂端向底端傳播。該過(guò)程中,蜂窩結(jié)構(gòu)脆弱處(如釬焊處)進(jìn)而發(fā)生破壞壓潰現(xiàn)象,并導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)、錯(cuò)位。

2)彈體對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊壓縮過(guò)程可分為初始沖擊、穩(wěn)態(tài)壓縮、密實(shí)壓縮3個(gè)階段,加速度曲線分別呈現(xiàn)大幅震蕩、小幅震蕩、再次大幅震蕩的形態(tài),分別對(duì)應(yīng)彈體對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的初始撞擊壓縮、蜂窩結(jié)構(gòu)壓潰失穩(wěn)、蜂窩結(jié)構(gòu)被壓縮密實(shí)阻力增加3個(gè)過(guò)程。

3)通過(guò)預(yù)測(cè)公式,可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)彈體高速撞擊蜂窩結(jié)構(gòu)的加速度峰值,并詳細(xì)分析了加速度峰值的影響因素。

4)剛性彈體的速度曲線呈先快速下降、而后緩慢下降、再快速下降的形態(tài),與加速度曲線相對(duì)應(yīng)。初始沖擊階段的速度曲線呈明顯的階梯狀下降形態(tài),為應(yīng)力波在彈體中周期性傳播導(dǎo)致,且第1個(gè)周期內(nèi),彈體內(nèi)應(yīng)力波幅值呈隨彈體撞擊速度增大而增大的趨勢(shì)。

5)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中蜂窩結(jié)構(gòu)吸能量及平均加速度的計(jì)算發(fā)現(xiàn),加載速率的變化對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能量和平均加速度的影響較為顯著。