車輛底部防護蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能分析

王顯會， 師晨光， 周云波， 石怡坤， 魏然

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇，南京 210094)

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車輛底部防護蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能分析

王顯會， 師晨光， 周云波， 石怡坤， 魏然

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇，南京 210094)

為滿足車輛底部爆炸沖擊防護需求，仿真分析爆炸沖擊作用下單層縱向、橫向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與1.5層、雙層橫向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的防護性能，對比分析不同蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮變形、吸能、車身地板加速度和假人小腿垂直方向受力，并對雙層橫向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進行試驗驗證. 分析結(jié)果表明：橫向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸能性能較好，縱向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剛度和強度較好，雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能較好.

爆炸沖擊；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；底部防護；吸能性能；抗沖擊性能

面對地雷、簡易爆炸裝置(IED)等對車輛底部的威脅，車身底部的防護性能直接關(guān)乎乘員的人身安全. 在爆炸沖擊環(huán)境下，即使車體本身并未受到嚴(yán)重?fù)p壞，但爆炸產(chǎn)生的沖擊波，特別是來自車身底部的爆炸沖擊波也會對車內(nèi)乘員造成致命的傷害，比如撞傷頭部、損傷脊柱、頸椎和腿骨等[1]. 簡單的裝夾裝甲鋼板會大大增加整車質(zhì)量，降低車輛機動性和通過性. 蜂窩材料作為多孔材料的一種，具有優(yōu)越的比吸能和較大的比剛度、比強度，廣泛應(yīng)用于航空航天中[2]. 而且其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)尺寸較規(guī)則，排列較有序，許多學(xué)者對其進行了大量的研究. Taylor等[3]研究雙層蜂窩板比單層有更好的屏蔽效果. 為使蜂窩板重量最小和吸能更充分，F(xiàn).J. Martínez-Martín等[4]提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化程序?qū)Ψ涓C夾芯材料性能進行優(yōu)化設(shè)計. 張延昌等[5]分析了蜂窩式夾層板結(jié)構(gòu)在橫向沖擊載荷作用下的損傷變形、碰撞力、耐撞性指標(biāo)，討論了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和耐撞性能的關(guān)系. 孫京帥[6]分析了在面內(nèi)沖擊載荷作用下，蜂窩材料的變形機制和相應(yīng)的能量吸收性能，并分析了蜂窩胞元的幾何尺寸對總吸能、總質(zhì)量及總比吸能的影響. 劉穎等[7]提出了一種分層遞變梯度蜂窩材料模型，以控制蜂窩材料的能量動態(tài)吸收性能.

文中以某車型簡化車身地板為基礎(chǔ)，布置不同蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，放置假人及座椅系統(tǒng)，在相同的地雷爆炸替代物當(dāng)量下，仿真分析了單層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)橫向、縱向抗爆炸沖擊防護性能；并分析1.5層、雙層蜂窩結(jié)構(gòu)橫向抗爆炸沖擊防護性能；主要對不同蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮變形、吸能、車身地板加速度和假人小腿垂直方向受力進行對比分析，為車身底部結(jié)構(gòu)防護研究提供參考.

1 仿真計算模型

為研究不同蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊防護性能，根據(jù)簡化車身地板模型，在其下部50 mm空間內(nèi)鋪設(shè)4種不同結(jié)構(gòu)的蜂窩結(jié)構(gòu)如圖1所示. 其中不同蜂窩結(jié)構(gòu)胞單元具有相同的長度，高度不同.

利用Hypermesh軟件建立有限元模型，其中包括空氣、炸藥、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、座椅系統(tǒng)模型. 按照AEP-55標(biāo)準(zhǔn)，放置標(biāo)準(zhǔn)的Hybrid III 50th百分比男性假人，對爆炸環(huán)境下車內(nèi)乘員損傷進行模擬，將假人小腿垂直方向受力響應(yīng)作為評判防護性能的一個指標(biāo). 對簡化地板四周進行6自由度全約束；爆炸仿真采用多物質(zhì)流固耦合(arbitrary lagrange euler，ALE)算法，ALE算法控制方程為

(1)

(2)

(3)

蜂窩夾層材料為AA3003鋁，其材料參數(shù)見表1[8]，蜂窩夾層與上、下平板采用共節(jié)點連接，接觸類型為面面接觸,*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，并設(shè)置自接觸,*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE；上、下平板為防彈鋼板，整個蜂窩夾層結(jié)構(gòu)均采用shell單元；炸藥為TNT，徑高比為3∶1，當(dāng)量為4.5 kg，炸點位于車身底部中心位置，炸距為400 mm. 炸藥采用材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述，其壓力、體積和內(nèi)能之間的關(guān)系為

(4)

式中：P2為壓力；E0為初始內(nèi)能密度；V為相對體積；A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)，其材料參數(shù)及狀態(tài)方程見表2～表3[9]. 空氣單元采用空材料模型配合線性式狀態(tài)方程來描述

P3=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ+C6μ2)E2.

(5)

式中：P3為壓力；μ為相對體積；E2為單位體積內(nèi)能；C0～C6為多項式方程系數(shù)，C0=-0.1 MPa，C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4 MPa[10].

表1 鋁的材料參數(shù)

表2 TNT的材料參數(shù)

表3 TNT炸藥的JWL方程參數(shù)

以雙層為例，有限元模型如圖2所示.

為某車輛車身地板簡化有限元模型，由于車身為承載式車身，最低處為乘員地板，炸點位于車身底部中心位置，在爆炸沖擊載荷作用下，乘員主要受到爆炸垂直沖擊載荷作用，底盤結(jié)構(gòu)對乘員地板響應(yīng)直接影響較小，因此，文中簡化研究對象為車身地板平臺，考慮整車重量影響，對地板平臺進行配重，在其底部鋪置蜂窩板，利用LS-Dyna顯式算法進行求解，對比分析不同蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及假人響應(yīng).

2 仿真計算結(jié)果對比分析

2.1 蜂窩壓縮變形分析

在相同的地雷替代物當(dāng)量下，對不同蜂窩夾層結(jié)構(gòu)(總厚度相同)壓縮變形情況進行分析. 如圖3所示，結(jié)構(gòu)(a)中最大垂直方向位移為15.33 mm，夾層結(jié)構(gòu)上、下部分形成三角形結(jié)構(gòu)，中間豎直連接部分起到了加強作用，所以此結(jié)構(gòu)具有較大的剛度；結(jié)構(gòu)(b)中最大垂直方向位移為19.05 mm，夾層結(jié)構(gòu)中間橫向連接處最先發(fā)生變形，蜂窩斜邊形成三角形結(jié)構(gòu)，剛度變大；結(jié)構(gòu)(c)中最大垂直方向位移為22.77 mm，蜂窩夾層下部壓縮變形較大，上部壓縮較小，增強了上地板的剛度；結(jié)構(gòu)(d)中最大垂直方向位移為27.57 mm，蜂窩夾層壓縮變形更大，上部仍增強了上地板的剛度，下部蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剛度較小，可有效緩沖吸收爆炸沖擊波.

2.2 蜂窩夾層吸能分析

不同蜂窩夾層結(jié)構(gòu)所吸收能量不同，其內(nèi)能不同. 在爆炸沖擊作用下，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，將爆炸能量轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)能，有效地吸收、緩沖爆炸沖擊載荷；如圖4所示，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)能逐漸增加，所吸收能量逐漸增加. 與壓縮變形相對應(yīng)，單層縱向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)變形量最小，吸收能量最小，為3.09 kN·m；雙層橫向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高剛度最小，變形量最大，吸收的能量最大，為5.03 kN·m.

2.3 車身地板加速度分析

作為評價蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸收、緩沖爆炸沖擊作用的一個指標(biāo)，加速度大小將反映蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能. 從圖5可以看出，地板平臺加速度峰值逐漸減小，雙層橫向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)地板平臺加速度最小，為1.42×105m/s2，能夠充分吸收、緩沖爆炸沖擊載荷.

2.4 假人小腿垂直方向受力分析

參照AEP-55標(biāo)準(zhǔn)，以小腿垂直方向受力值作為評價蜂窩夾層結(jié)構(gòu)防護性能的重要指標(biāo)，安全閾值為5.4 kN. 從圖6可以看出，假人小腿垂直方向受力峰值逐漸減小. 圖1(a)所示結(jié)構(gòu)假人小腿受力最大，為20.29 kN， 超過安全閾值，對乘員的防護性能差；圖1(d)所示結(jié)構(gòu)假人小腿受力最小，為5.27 kN，未超過安全閾值，對乘員的防護性能好.

對比分析可知：縱向布置的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，吸收、緩解爆炸沖擊載荷性能差，假人小腿受力大，對乘員的防護性能差，具有較弱的抗爆炸沖擊性能；橫向布置中雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剛度小，變形大，吸收、緩解爆炸沖擊載荷性能好，假人小腿受力小，對乘員的防護性能好，具有較強的抗爆炸沖擊性能.

3 試驗驗證分析

仿真、試驗對比分析如圖7～圖8所示.

針對仿真計算結(jié)果，對雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進行實爆試驗驗證. 車身底部裝夾雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板，地雷布置于車身底部中心位置，當(dāng)量為4.5 kg，使用混合Ⅲ型假人放置于乘員座椅上，腳放置于車身地板上.

由圖7可以看出，仿真、試驗中蜂窩夾層結(jié)構(gòu)壓縮變形形態(tài)基本一致；由圖8可以看出地板加速度仿真值(17.157 kg)略大于試驗值(14.456 kg)，誤差約為18.7%；由圖9可以看出，假人小腿垂直方向受力仿真值(5.26 kN)略大于試驗值(4.85 kN)，誤差約為8.5%.

在爆炸沖擊作用下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)屬于瞬態(tài)動力學(xué)問題，材料出現(xiàn)塑性強化現(xiàn)象，動態(tài)材料參數(shù)對仿真結(jié)果具有一定影響；另外在模型簡化中車輛底部結(jié)構(gòu)會對沖擊波具有一定削弱影響，會導(dǎo)致仿真結(jié)果稍大于仿真結(jié)果. 因此仿真結(jié)果是比較可信的，雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有良好的抗爆炸沖擊防護性能.

4 結(jié) 論

利用數(shù)值仿真方法模擬了爆炸沖擊作用下單層縱向、橫向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與1.5層、雙層橫向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的防護性能；主要對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的壓縮變形、內(nèi)能、車身地板加速度及假人小腿垂直方向受力進行了分析，并對雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進行試驗驗證，得到結(jié)論如下.

① 縱向布置的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)比橫向布置的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剛度更強，具有更好的剛強度，但抗爆炸沖擊防護性能較弱，壓縮變形量小，結(jié)構(gòu)吸收能量小，地板加速度、假人小腿垂直方向受力較大；相反，橫向布置蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)的壓縮變形，可吸收較多的爆炸能量，降低假人小腿垂直方向受力，具有較好的抗爆炸沖擊防護性能；

② 雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有更好的抗爆炸沖擊性能，壓縮變形量更大，可吸收更多的爆炸沖擊能量，降低爆炸對車內(nèi)乘員的危害，可對車內(nèi)乘員起到較好的防護作用；

③ 通過對雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)仿真與試驗結(jié)果的對比分析，驗證了雙層蜂窩結(jié)構(gòu)具有較好的防護性能，為今后車輛底部防護提供了良好的理論與試驗指導(dǎo).

[1] 李補蓮，原樹興.現(xiàn)代軍用車輛的防護措施[J].國外坦克，2011(5):39-41.

Li Bulian， Yuan Shuxing. Modern military vehicles protective measures[J]. Foreign Tanks， 2011(5):39-41. (in Chinese)

[2] Liu Ping， Liu Yan， Zhang Xiong. Internal-structure-model based simulation research of shielding properties of honeycomb sandwich panel subjected to high-velocity impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 2015，77:120-133.

[3] Taylor E A， Glanville J P， Clegg R A， et al. Hypervelocity impact on spacecraft honeycomb: hydrocode simulation and damage laws[J]. International Journal of Impact Engineering, 2003，29：691-702.

[4] Martínez-Martín F J， Thrall A P. Honeycomb core sandwich panels for origami-inspired deployable shelters: multi-objective optimization for minimum weight and maximum energy efficiency[J]. Engineering Structures, 2014，69:158-167.

[5] 張延昌， 王自立.蜂窩式夾層板耐撞性能研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報，2007，21(3):1-5.

Zhang Yuanchang， Wang Zili. Research honeycomb sandwich panels crashworthiness[J]. Jiangsu University of Science and Technology， 2007，21(3):1-5. (in Chinese)

[6] 孫京帥.蜂窩材料面內(nèi)沖擊吸能性能優(yōu)化及在電動汽車耐撞性設(shè)計中的應(yīng)用[D].大連:大連理工大學(xué)，2013.

Sun Jingshuai. Optimization of the energy absorption characteristic under in-plane crushing and application to the electric vehicle crashworthiness design of honeycomb material[D]. Dalian: Dalian University of Technology， 2013. (in Chinese)

[7] 劉穎，何章權(quán)，吳鶴翔.分層遞變梯度蜂窩材料的面內(nèi)沖擊性能[J].爆炸與沖擊，2011，31(3):225-231.

Liu Ying， He Zhangquan, Wu Hexiang. In-plane dynamic crushing of functionally layered metal honeycombs[J]. Explosion and Shock Waves， 2011，31(3):225-231. (in Chinese)

[8] 彭明軍.釬焊蜂窩鋁板力學(xué)性能研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)，2013.

Peng Mingjun. Study the mechanical properties of brazed aluminum honeycomb[D]. Kunming: Kunming University of Technology， 2013. (in Chinese)

[9] 李麗莎，謝清糧.基于Lagrange、ALE和SPH算法的接觸爆炸模擬計算[J].爆破，2011，28(1):18-27.

Li Lisha， Xie Qingliang. Numerical simulation of contact explosion based on Lagrange、ALE and SPH[J]. Blasting， 2011，28(1):18-27. (in Chinese)

[10] Randers G， Bannister K. Air blast loading model for DYNA2D and DYNA3D， ADA322344[R]. Maryland: US Army Research Laboratory， 1997.

(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Impact Resistance Analysis of Honeycomb Sandwich Structure for the Vehicle Bottom Protection

WANG Xian-hui， SHI Chen-guang， ZHOU Yun-bo， SHI Yi-kun， WEI Ran

(1.School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science & Technology， Nanjing， Jiangsu 210094, China)

In order to protect the bottom of vehicle in explosion shock, the protection performance was simulated for several honeycomb sandwich structures, including single layer vertical, horizontal layout honeycomb sandwich structure and 1.5 layer, double layer horizontal layout honeycomb sandwich structure. And some other performances of honeycomb structure were analyzed comparatively. for example, the compression distortion, energy absorption, body floor acceleration and dummy lower leg Z-force. And experimental verification was taken for double layer horizontal layout honeycomb sandwich structures. The results show that, the energy absorption property of horizontal layout honeycomb sandwich structure is better, the stiffness and strength of vertical layout honeycomb sandwich structure are better, and impact resistance of double honeycomb sandwich structure is better.

explosion shock; honeycomb sandwich structure; protection at the bottom; energy absorption; impact resistance

2014-04-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51405232)

王顯會(1968—)，男，教授，E-mail: 13770669850@139.com.

師晨光(1991—)，男，碩士生，E-mail: 15062763575@163.com.

TJ 811.91

A

1001-0645(2016)11-1122-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.11.005