3D 打印點陣夾芯結構沖擊損傷的近場動力學模擬

摘要： 為了有效模擬3D 打印點陣材料夾芯結構在彈丸沖擊下的損傷破壞行為，在近場動力學微極模型中引入塑性鍵，構建了適用于點陣材料夾芯結構的模型和建模方法，在驗證模型準確性的基礎上，模擬分析了低速和高速彈丸沖擊下點陣材料夾芯結構的損傷模式與破壞機理。結果表明：低速沖擊下3D 打印點陣夾芯結構的破壞模式以局部塑性變形為主；高速沖擊下，破壞模式表現為潰裂、孔洞貫穿和碎片噴射，并伴隨著大范圍的塑性變形。低速沖擊下塑性變形范圍隨沖擊速度升高而增大，而高速沖擊下則相反。高速沖擊下，點陣夾芯結構的貫穿過程分為面板接觸、局部屈服、芯材壓潰、穿透4 個階段，彈丸經歷了急-緩-急3 段減速過程，并對應2 個加速度高峰，第2 個加速度峰值低于第1 個加速度峰值的50%；低速沖擊過程中，彈丸僅有1 次減速過程，加速度峰值隨沖擊速度的升高而增大，最終彈丸反彈。

關鍵詞： 點陣材料；夾芯結構；近場動力學；彈丸沖擊；損傷破壞

中圖分類號： O347.3 國標學科代碼： 13015 文獻標志碼： A

點陣材料是一種由周期性結構單元構成的材料，具有超低密度、高比強度和良好的吸能緩沖性能等優點[1]。隨著3D 打印技術的發展，點陣材料的制備變得簡單高效，更復雜精細的點陣材料結構設計逐漸得以實現，使得點陣材料朝著功能多樣性、材料多樣性以及多尺度的方向發展。在實際工程中，點陣夾芯結構是最常用的結構形式，一般由2 層面板夾持一個或多個點陣材料組成，實體面板增強了點陣材料的力學性能，在航空航天、汽車、醫療與能源等行業得到了廣泛的應用[2]。點陣材料的力學性能對其應用至關重要，目前，相關研究主要集中在彈塑性力學、斷裂力學、沖擊動力學、抗侵徹性能等方面。其中，彈塑性力學性能是點陣材料最基本的性質。點陣材料的彈性模量、泊松比、抗壓強度等力學性能參數受點陣胞元形狀、大小、排列方式等因素影響。冀賓等[3] 以點陣層數、點陣桿件長度、截面尺寸、傾斜度、胞元長細比等變量為優化對象，提出了點陣夾芯結構的優化設計方法，提高了同等密度條件下結構的承載力。樊永霞等[4] 采用電子束選區熔化技術制備了片狀三周期極小曲面（triply periodic minimalsurface，TPMS）點陣材料以及桁架類點陣材料，并對其開展壓縮試驗，驗證了片狀TPMS 點陣材料的力學優越性。點陣材料夾芯結構在外力作用下可能會發生損傷和斷裂，這涉及到點陣材料的失效機理和斷裂行為，沖擊作用下夾芯結構的動態破壞、緩沖吸能和抗侵徹問題是研究的熱點[5]。程樹良等[6] 對X 型點陣夾芯結構進行了落錘沖擊試驗與數值模擬，研究了沖擊速度、面板厚度等參數對沖擊性能的影響。時圣波等[7] 基于爆炸沖擊實驗研究了復合點陣結構在強爆炸載荷作用下的損傷機理和失效模式，并采用數值仿真方法發展了其爆炸沖擊響應預報模型。張振華等[8] 開展了球頭落錘沖擊試驗，揭示了大質量低速沖擊作用下金字塔點陣夾芯結構的失效模式和緩沖吸能機理。很多研究采用試驗或有限元模擬的方法探索輕質多孔夾芯結構的抗侵徹特性與耗能機理[9-12]。然而，有限元方法處理這類問題存在諸多局限性：點陣材料夾芯結構的沖擊破壞具有非連續性特征，基于連續介質力學的有限元方法難以精確描述材料界面、材料斷裂破壞等非連續性問題；點陣材料夾芯結構的破壞行為涉及多個尺度，即從微觀的胞元斷裂到宏觀的結構崩塌，而有限元方法只能處理單一尺度的問題；點陣材料有復雜的幾何形態，高度依賴網格的有限元方法存在網格敏感性問題，甚至難以獲得理想的網格。綜上所述，亟需提出一種新的建模和數值模擬算法，進一步研究點陣材料夾芯結構的沖擊破壞行為。

近場動力學（peridynamics）是一種基于非局部理論的力學方法，可用于描述材料的彈塑性、破壞和斷裂行為[13-14]。與傳統的連續介質力學不同，近場動力學允許材料中的破壞自發從局部擴散到整體，同時還能夠描述材料內部微觀結構以及界面的破壞與變形[15-16]。陳洋等[17] 采用近場動力學研究了泡沫鋁夾芯結構的抗沖擊性能，結果表明，該方法在處理輕質多孔夾芯結構的破壞問題上具有一定的優勢。近場動力學可以很好地模擬材料裂紋擴展、分支和局部擴散等破壞行為，同時還可以考慮該行為的多尺度效應和材料的復雜幾何結構。目前，尚未見采用近場動力學模擬點陣材料夾芯結構的相關報道。本文中，基于近場動力學理論提出適用于點陣材料夾芯結構的建模方法，模擬分析彈丸沖擊下點陣材料夾芯結構的損傷模式與破壞機理，以期為點陣材料的設計和應用提供理論支持。