蜂窩夾芯板在高速沖擊下的動態響應研究

胡方靚 余 晟

（1.中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001；2.海裝武漢局駐南昌地區軍事代表室，江西南昌 333000）

0 引言

直升機由于其具有平移飛行、懸停飛行和垂直起降的能力，使其成為所有飛行器中用途最廣泛的類型之一[1]。迄今為止，直升機已經廣泛應用于軍事和民用領域，然而，近幾十年來，直升機安全問題越來越受到關注。對直升機事故調查發現，飛機耐撞性被視為關鍵問題之一。但直到越南戰爭時期才引起足夠的重視，第一批優先考慮防撞設計的是UH-60 黑鷹和AH-64 阿帕奇直升機[2]。在之后的開發中，耐撞性設計變得越來越重要。而在各種典型的能量吸收結構中，蜂窩結構由于具有高比強度、比剛度和顯著的能量吸收性能，在大多數工程領域得到了廣泛應用[3]。迄今為止，在耐撞性研究中，人們開發了許多蜂窩夾層結構來提高能量吸收能力。

目前Sun 等人[4]研究了基于一階和二階頂點的分層蜂窩的平面外耐撞性行為。結果表明，一階和二階蜂窩的比能量吸收分別提高了81.3%和185.7%，而峰值力沒有增加太多。Ma 等人[5]研究了仿生自相似規則分層蜂窩在面外沖擊載荷下的耐撞性。分層單元組織可以加強材料強度，從而提高抗壓強度和能量吸收能力。湖南大學[6]和東南大學團隊[7]關于蜂窩夾層結構幾何屬性對其抗沖擊的影響有了系統性的研究。

但是，直升機在飛行過程中往往遭受高速沖擊，而在這方面的研究目前還相對較少。所以本文通過ABAQUS建立了蜂窩夾芯結構的有限元模型，并模擬了破片侵徹夾芯結構的過程，分析了在破片高速貫穿夾芯板時，結構各部分的損傷情況。并進一步對比了各部分參數的變化對其吸能的影響，旨在進一步了解夾芯結構的面板、芯層的參數和夾芯板耐撞性之間的關系。

1 數值仿真模型及參數設置

有限元模型分為夾芯結構和破片，其中夾芯板的結構如圖1 所示，前后面板為邊長150mm 的正方形，厚度1mm；芯層采用邊長為4mm，厚度為0.07mm 的正六邊形蜂窩，高度為15mm。破片采用球型破片，其直徑為12mm，質量為7.05g。由于主要研究夾芯板的動態響應過程，所以不考慮破片自身的變形情況，將破片設置為鋼體結構。

圖1 模型結構示意圖

在ABAQUS 中，網格的數量決定了計算結果的準確度以及計算的速度。綜合考慮下，僅在夾芯板與破片接觸區域進行網格的局部細化，細化后的尺寸為0.5mm，其余地方采用漸變的方式，如圖2 所示。模型的邊界條件為剛性固定，面板和芯層之間的接觸關系設定為Tie 接觸，破片和夾芯結構之間的碰撞關系設定為通用接觸，其中法線方向為硬接觸，切線方向為摩擦接觸，系數為0.3。

圖2 網格情況和邊界條件定義

在本次數值仿真中，面板的材料為5052 鋁，芯層的材料為3003 鋁，在ABAQUS 中的塑性模型和失效模型選用Johnson-Cook 本構方程[8-9]。公式如下。

式中，材料參數的值取自《國際沖擊工程》中公布的數據[9]，具體的參數如表1 所示。

表1 材料屬性

2 數值計算方法的驗證

為了驗證數值仿真方法的合理性，本文將仿真結果同Sun 等人[10]的試驗結果進行對比。如圖3 所示，夾芯板的尺寸與模型中選用的保持一致。在試驗過程中，夾芯板分別在76.2m/s、138m/s、172.4m/s 3 種速度下出現了前面板凹陷、破片反彈、前面板被貫穿，破片陷入芯層中和前后面板均被貫穿3 種毀傷形式。所以在數值仿真中也將破片模擬了這3 種速度，能更為準確地驗證ABAQUS 仿真結果的合理性。

圖3 侵徹試驗裝置

破片在數值仿真和試驗過程中的剩余速度結果如表2所示，對比分析可得，ABAQUS 基本上能夠模擬出破片沖擊夾芯板后的剩余速度。由于在制造夾芯板時，面板和芯層之間采用膠水粘連的工藝，從而會多一層黏合層，并且試驗中螺栓固定的程度并非完全剛性固定。而在有限元模型中為理想狀態。因此在入射速度較小時，仿真結果與試驗結果有一定的誤差，但在入射速度增大時，其影響均會減小。

表2 破片剩余速度對比

夾芯板的面板毀傷情況如圖4 所示，通過對比試驗和仿真的面板變形結果來看，ABAQUS 能夠較好地模擬夾芯板面板的破壞情況。在侵徹速度為76.2m/s 時，面板僅出現凹陷變形，其變形的撓度大小基本上與試驗結果一致；在侵徹速度為138m/s，部分穿透；在侵徹速度為172.4m/s 時，完全穿透；從貫穿破孔孔徑來看，其數據也十分接近。所以，可以使用ABAQUS 來對夾芯板的毀傷情況進行有限元分析。

圖4 前后面板的毀傷情況結果對比

本文主要研究夾芯結構的抗高速沖擊性能，所以選用完全貫穿的夾芯板毀傷情況進行對比，如圖5 所示。在破片完全侵徹夾芯板時，前面板收到侵徹而破碎，沖擊區域的芯層被完全破壞，遠離沖擊區域的芯層受到擠壓屈曲變形，并與后面板出現脫粘，而這些破壞情況在數值仿真中也得到了體現。綜合3 種情況，說明可以使用ABAQUS來仿真夾芯結構在高速破片侵徹下的動態響應過程。

圖5 夾芯板毀傷破壞情況（左：試驗結果，右：有限元模型）

3 計算結果與分析

3.1 物理過程分析

數值仿真比起試驗能夠更為直觀地觀察夾芯板內部的毀傷過程。如圖6 所示，當破片首先撞擊到前面板時，使面板沖塞變形。同時面板擠壓芯層使芯層出現屈曲破壞，并與前面板發生擠壓破壞。隨后后面板遭到貫穿，形成充塞孔，附帶周圍相連的芯層受到撕裂而出現“脫粘”。但同時，遠離沖擊位置的部分仍保持完整的結構，破片對夾芯板的毀傷影響能力僅存在于沖擊區域內。

圖6 破片侵徹物理過程

3.2 能量吸收特性

從圖7 中可以看出，整個破壞過程均遵循能量守恒定律，破片的動能轉換為了夾芯板的塑性應變能。在3 種速度的破片侵徹下，由于夾芯板的毀傷情況不同，夾芯板各部分吸收的能量不同，主要是當速度較低時，后面板并未參與整體抗沖擊過程，所以其幾乎不吸收能量，而前面板由于發生變形較大，所以其吸收的能量也始終最多，而隨速度的增大，后面板參與抵抗沖擊后，其吸收的能量就超過了芯層。

圖7 夾芯板能量吸收時程曲線

結合圖7 與圖4 可知，夾芯結構的吸能情況與其自身的毀傷情況有關，說明夾芯板是通過塑性應變吸收破片的動能，而芯層的存在連接了前后兩個面板，使其整體參與抵抗破片的沖擊，因此，可以推斷夾芯板的抗沖擊性能優于兩塊面板單獨抵抗。但由于在高速沖擊下，夾芯板的破壞是局部性破壞，所以面板仍然是抗沖擊的主要部分。

數值仿真可以改變破片侵徹的速度，通過數值仿真設置了一系列不同侵徹速度下的夾芯板吸能情況對比，如圖8 所示。從中可以看出，當破片貫穿結構后，結構的吸收能量就達到了極值，此時再增加入射速度，并不會對結構的吸能情況造成影響，相反入射速度越快，其破壞范圍越集中，芯層所貢獻的抗沖擊性能效果反而有所降低。而前后面板均產生沖塞孔的毀傷情況，所以其吸收能量基本保持一致。

圖8 夾芯板各組件能量吸收和能量吸收率

4 蜂窩夾芯板抗沖擊性能參數研究

4.1 幾何參數對彈道極限速度的影響

彈道極限速度表示破片完全貫穿目標所需要的最小沖擊速度[11]，因此，在本次研究中將其作為評價夾芯板抗高速沖擊能力的標準之一。通過在ABAQUS 中修改各部位的參數，得到了夾芯板在面板、芯層在不同幾何參數下的彈道極限速度，如圖9 所示。從中可以看出，作為主要抗沖擊的面板，隨著厚度的增加，彈道極限速度也跟著增加。而改變芯層的幾何參數，則對抗沖擊性能影響較小。增加胞元壁厚和減小胞元邊長等效于提高了破片粉碎芯層所需要的動能，使得更多的芯層參與抗沖擊作用，所以在一定程度上提高了彈道極限速度，但是影響很小，而增加芯層高度則幾乎沒有影響。

4.2 幾何參數對能量吸收的影響

為了研究高速沖擊下夾芯板的動態響應，在ABAQUS中將破片的速度設置為250m/s，實現所有工況下夾芯板均完全貫穿。得到的結果如圖10 所示，當面板厚度增加時，面板自身對破片動能的吸收也會增加，同時破片侵徹面板后的速度會降低，從而使結果更趨近于低速沖擊，帶動更多的芯層參與抵抗破片的侵徹，從而提高了夾芯板整體結構以及各個部分的能量吸收效率。而僅改變芯層參數時，因為芯層自身結構強度很弱，在完全貫穿的情況下，芯層相對于面板影響很小，所以即使改變芯層的幾何參數，也因為自身比重太低而對整個結果影響很小。

圖10 蜂窩夾芯板的能量吸收結果

4.3 幾何參數對比吸能的影響

在直升機的結構設計過程中，重量是不可忽略的元素，這就要求應用于直升機上的結構盡可能滿足輕量化設計。所以在研究夾芯板的抗高速沖擊性能時，也需要考慮質量對吸能效果的影響，比吸能則是一個重要的指標。如圖11 所示，增加了質量因素之后，得到了不同幾何參數下蜂窩夾芯板的比吸能結果。從前文研究可得，增加面板厚度能夠提高夾芯板的吸能效率，但同時也會增加夾芯板的重量，而從圖11（a）可以看出，當面板厚度增加超過1.6mm 之后，再增加厚度，反而比吸能開始降低，這說明此時吸能效率的增加開始小于質量的增加。而改變芯層的幾何參數，對結構的質量和吸能都影響較小，所以整體的結果變化不大，但從圖11（b）、11（c）、11（d）中也能看出，在波動的狀態下也能有一個比吸能較高的結果。

圖11 蜂窩夾芯板的比吸能結果

綜合研究彈道極限速度、吸能情況以及重量的因素可以得出，蜂窩夾芯板的抗高速沖擊能力主要與面板有關，最直接提高防撞能力的方法就是增加面板的厚度，但同時增加面板厚度會使夾芯結構質量也隨之增加，增加到一定程度之后反而會降低吸能效率。而芯層對夾芯板抗高速沖擊的性能影響較弱，所以改變芯層的幾何參數對整體抗沖擊作用也影響較小。

5 結語

本文通過ABAQUS 建立了蜂窩夾芯結構的有限元模型，對其抗高速沖擊性能進行了數值仿真研究，得出以下幾點結論。

（1）與低速沖擊不同，高速沖擊下的蜂窩夾芯板主要的毀傷情況是前后面板形成沖塞孔，芯層結構出現變形，并且沖擊區域的芯層會與面板完全脫粘。（2）破片在高速沖擊的過程中，蜂窩夾芯板通過自身的塑性應變來吸收破片的動能，所以在貫穿整體后，前后面板的破壞形式一致，變形一致，吸能量也比較接近。（3）在抗高速沖擊時，起主要作用的是夾芯板的面板，所以直接提高夾芯結構的抗高速沖擊性能的方式就是增加面板厚度，但結合輕量化設計時，則需要考慮質量對其的影響。（4）芯層雖然對夾芯板在低速沖擊下的防護性能有影響，但夾芯結構在高速沖擊過程中，由于損傷更為局部化，而芯層自身在夾層結構中占比較低，所以改變其幾何參數對整體效果影響較少。