串聯(lián)蜂窩吸能和沖擊穩(wěn)定性研究

盧露，魯寨軍, 2，晏明，劉承江，熊又星

串聯(lián)蜂窩吸能和沖擊穩(wěn)定性研究

盧露1，魯寨軍1, 2，晏明1，劉承江1，熊又星1

(1. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，湖北武漢，430033；2. 中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075)

從單塊蜂窩的結(jié)構(gòu)特點、準靜態(tài)異面壓縮吸能特性、消除初始峰值的預(yù)壓縮方法和應(yīng)變率效應(yīng)等出發(fā)，提出串聯(lián)蜂窩的合理結(jié)構(gòu)形式，通過有限元仿真和撞擊試驗解決串聯(lián)蜂窩失穩(wěn)的問題。研究結(jié)果表明：將串聯(lián)蜂窩放置在柱狀筒體中約束其橫向位移，相鄰蜂窩間設(shè)置能抵抗蜂窩壓力不均勻性的隔板，蜂窩與隔板粘接成無滑移整體結(jié)構(gòu)，則當(dāng)串聯(lián)蜂窩組件進行高速撞擊時，隔板不發(fā)生變形，并幾乎不傾斜，蜂窩基本上處于異面壓縮狀態(tài)，整體變形模式好，具有較強的吸能能力。

蜂窩；能量吸收；制動

蜂窩是一種典型的多胞復(fù)合材料，具有優(yōu)良的吸能特性，其比強度和比剛度都較高，且其吸能特性具有很強的可設(shè)計特征，蜂窩用于吸能裝置深受青 睞[1?2]，在交通運輸領(lǐng)域如汽車工業(yè)[3]、鐵路交通、航空航天[4?7]、海洋運載等行業(yè)具有廣泛的用途。蜂窩吸能制動裝置在高速撞擊時，其本身能夠發(fā)生規(guī)則的塑性變形，吸收運動物體的動能，從而達到保護人員或其他關(guān)鍵設(shè)備的功能。緩沖吸能是蜂窩最主要和最有前景的用途之一，目前已經(jīng)應(yīng)用于車輛碰撞保護、航空探測器著陸緩沖等相關(guān)工程中。國內(nèi)外學(xué)者針對蜂窩的力學(xué)行為、吸能特性、動態(tài)響應(yīng)等進行了大量研究，取得了許多研究成果，特別是華云龍等[1?2]早期開展了大量理論研究，為蜂窩的力學(xué)特性和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。最近10余年來，國內(nèi)外學(xué)者對蜂窩壓縮的共面和異面性能進行了深入研究，但大多局限于對單塊蜂窩進行研究。受蜂窩制造工藝的限制，單塊蜂窩的高度方向長度往往受限，吸能量有限，當(dāng)運動物體的動能較大時，必須使用多塊蜂窩串聯(lián)，因此，串聯(lián)蜂窩具有更大的工程應(yīng)用價值，但人們對這方面的研究很少。多塊蜂窩串聯(lián)繼承了單塊蜂窩的優(yōu)點，能吸收更多的能量，但受壓極易失穩(wěn)，而且相鄰蜂窩容易相互浸入。為此，本文作者根據(jù)蜂窩的結(jié)構(gòu)特點和壓縮性能，研究多塊蜂窩串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式和穩(wěn)定性措施，結(jié)合有限元仿真研究不同連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并進行試驗驗證，得出撞擊受壓后不失穩(wěn)、隔板基本無傾斜、變形模式好的多塊蜂窩串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。

1 蜂窩結(jié)構(gòu)及吸能特性

1.1 結(jié)構(gòu)特性

蜂窩是一種根據(jù)仿生學(xué)制造的多胞材料，具有相對密度小、強度較高、壓縮變形能力大、變形可控等優(yōu)點。圖1所示為六邊形孔格蜂窩芯的結(jié)構(gòu)圖。約定蜂窩芯的孔格延伸方向為向，橫截面上金屬箔片的鋪設(shè)方向為向，向的垂向為向，通常將向的尺寸稱為共面寬度，向的尺寸稱為共面長度，向的尺寸稱為異面厚度。

六邊形孔格的蜂窩橫截面及孔格放大圖如圖2所示。從圖2可以看出：蜂窩的六邊形孔格有2個邊是雙層材料，其他邊是單層材料，這是蜂窩的制造方法決定的。蜂窩的生產(chǎn)方法[2, 8]主要有擠壓法、展開法、波紋壓形膠接法。其中，擠壓法常用于制作塑料蜂窩，強度較低；展開法常用于制作普通鋁蜂窩；波紋壓形膠接法用于制作高強度蜂窩。本文所研究的吸能蜂窩強度較高，采用展開法或波紋壓形膠接法制作，所制作的蜂窩截面如圖2所示。蜂窩孔格單層金屬箔片厚度為，寬為，膠接面厚度為2，寬為，內(nèi)仰角為。蜂窩孔格為正六邊形時，同時滿足=30°，=。

圖1 蜂窩結(jié)構(gòu)

(a) 外觀結(jié)構(gòu)圖；(b) 胞元

圖2所示蜂窩的相對密度為

(2)

蜂窩結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)的特殊性，是典型的各向異性材料。通常將蜂窩芯上的載荷分為面內(nèi)載荷和面外載荷，載荷方向平行于?平面稱為面內(nèi)載荷，沿向的載荷稱為面外載荷[1]，當(dāng)載荷為壓力時，根據(jù)壓縮方向的差異，分別稱為面內(nèi)壓縮(共面壓縮)和面外壓縮(異面壓縮)。徐天嬌等[8?12]研究了蜂窩共面壓縮性能，MARSOLEK等[13?20]研究了異面壓縮性能，其中蔡茂等[17]重點研究了高速沖擊下的蜂窩性能，TERRY等[19]研究了蜂窩壓縮的初始峰值力，JEOM等[20]研究了三明治結(jié)構(gòu)蜂窩的性能。蜂窩共面與異面沖擊情況下的吸能性能存在較大差別，一般異面剛度和強度都遠比共面的剛度和強度大[1]。當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)用于緩沖吸能的高速撞擊場合時，主要考慮異面壓縮性能。

1.2 準靜態(tài)異面壓縮力學(xué)特性

將某型鋁蜂窩放在電子拉壓試驗機上沿向壓縮，其壓力?位移曲線如圖4所示。蜂窩是多胞復(fù)合材料，借鑒連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變的概念，定義應(yīng)力為壓縮力與蜂窩橫截面積之比，應(yīng)變?yōu)榉涓C的壓縮位移與原長之比。由于向壓縮時，蜂窩的橫截面積幾乎不變[8]，故圖3所示的曲線也可理解為蜂窩的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線。事實上，圖3所示的曲線并非個例，所有蜂窩的向壓縮曲線幾乎一致，均存在圖3所示的4個典型區(qū)域：1)為線彈性區(qū)，此區(qū)域蜂窩只發(fā)生彈性變形；2)為初始坍塌區(qū)，壓力達到點的最大值后，蜂窩的金屬箔片彎曲失穩(wěn)，蜂窩承載力迅速下降，并隨著壓縮位移的增大出現(xiàn)褶皺，壓力波動并趨于穩(wěn)定；3)為穩(wěn)定疊縮變形區(qū)，隨著位移增加，蜂窩逐層褶皺，出現(xiàn)穩(wěn)定的疊縮變形；4)為密實區(qū)，在點，蜂窩在向全部發(fā)生疊縮變形，繼續(xù)壓縮，壓力急劇上升。

圖3 蜂窩壓縮的力F與位移L的關(guān)系

根據(jù)能量的定義和積分原理，圖3所示的力?位移曲線與橫軸形成的面積就是蜂窩壓縮過程中吸收的能量。曲線的段壓縮力平穩(wěn)，壓縮位移長，是蜂窩主要吸能區(qū)；段的平均應(yīng)力被稱為平均壓潰應(yīng)力，它表征蜂窩的承載能力和吸能能力。WIERZBICKI通過理論推導(dǎo)和試驗修正給出了圖2所示正六邊形孔格蜂窩的平均壓潰應(yīng)力的計算公式[21]：

(4)

1.3 預(yù)壓縮和應(yīng)變率效應(yīng)

從圖3可以看出，段和段的壓縮力明顯比段的大，但由于段對應(yīng)的壓縮位移小，故在蜂窩總體吸能量中所占的比例很小。沖擊吸能的瞬時反力偏大對被保護的人員和設(shè)備非常不利。為了消除蜂窩初始峰值應(yīng)力，使用前通常將蜂窩進行預(yù)壓縮[5, 19]，即將蜂窩壓縮至形成幾層褶皺后卸載，當(dāng)再次壓縮時將繼續(xù)疊縮變形，直接進入段，這樣，消除了圖3中和段過高的峰值力對撞擊物體的損傷。

除了初始壓縮的力較大外，用于緩沖吸能的蜂窩遭受沖擊載荷時，平均壓潰應(yīng)力隨沖擊速度的增大而有所提高，其根源在于金屬材料的應(yīng)變率效應(yīng)，即變形速度加快時，材料的屈服強度會增加。劉穎等[11]研究了蜂窩面內(nèi)壓縮時應(yīng)變率效應(yīng)對提高蜂窩承載力和吸能量的影響。王中鋼等[22]對一型蜂窩承受向沖擊下平壓強度變化規(guī)律進行了試驗研究，最高沖擊速度達25 m/s，結(jié)果表明高速沖擊下蜂窩的平壓強度明顯高于準靜態(tài)下的測試值。HEXCEL公司對其生產(chǎn)的蜂窩也進行了動態(tài)沖擊測試，最高沖擊速度達到70 m/s。結(jié)果顯示，動態(tài)下的平均壓潰應(yīng)力可比準靜態(tài)下的平均壓潰應(yīng)力高約30%[13?14]。王中鋼等[22]通過試驗發(fā)現(xiàn)鋁蜂窩高速沖擊下的平均壓潰應(yīng)力可比準靜態(tài)高約35%。

預(yù)壓縮技術(shù)基本消除了初始峰值力，是蜂窩用于緩沖吸能的基本處理方式。應(yīng)變率效應(yīng)對蜂窩平均壓潰應(yīng)力有明顯的增大作用，但其增加量與蜂窩的材料、結(jié)構(gòu)、沖擊速度等多種因素有關(guān)，故在緩沖吸能時可作為吸能量的安全余量來考慮。

2 串聯(lián)蜂窩結(jié)構(gòu)形式

受到工藝限制，單塊蜂窩的向長度一般不會太長。在某些場合，運動物體速度高，吸能量大，被撞擊蜂窩的截面積有限，單塊蜂窩無法吸收全部能量，必須采取多塊蜂窩串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。為了防止沿向串聯(lián)的相鄰蜂窩相互侵入，采用隔板將相鄰蜂窩隔開，如圖4所示。

圖4 串聯(lián)蜂窩結(jié)構(gòu)

串聯(lián)蜂窩的吸能模式與單塊蜂窩的吸能模式一樣，在物體撞擊壓縮蜂窩時，蜂窩發(fā)生疊縮變形而吸能。由于串聯(lián)蜂窩較長，受壓時類似于細長桿容易失穩(wěn)，喪失吸能能力，因此，增強穩(wěn)定性是串聯(lián)蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)細長桿受壓臨界載荷的歐拉公式可知，增加約束類似于減小長細比，從而提高臨界載荷。事實上，對任何結(jié)構(gòu)，增加合適的約束條件都能在一定程度上提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)這個原理，將蜂窩約束在1個柱狀筒體中，筒體限制受壓時蜂窩的橫向位移，只允許蜂窩在向壓縮變形，從而增強了穩(wěn)定性。

將串聯(lián)蜂窩放置在柱狀筒體中能增強整體穩(wěn)定性，但其中每塊蜂窩的變形模式并不完全受控，蜂窩與隔板間的連接方式很重要，一旦蜂窩與隔板出現(xiàn)滑動，或者隔板出現(xiàn)傾斜，都將導(dǎo)致單塊蜂窩發(fā)生非向壓縮。由于蜂窩非向壓縮時的吸能量比向壓縮的吸能量小，故任何1塊蜂窩出現(xiàn)非向壓縮都會降低串聯(lián)蜂窩的整體吸能能力，影響緩沖吸能效果。

當(dāng)串聯(lián)蜂窩受到?jīng)_擊載荷時，若結(jié)構(gòu)中的相鄰蜂窩互不侵入，任何1塊蜂窩都只發(fā)生向壓縮，則稱為穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，此時蜂窩變形模式好，對柱狀筒體的作用力小，吸能量大。

3 串聯(lián)蜂窩沖擊穩(wěn)定性仿真

對圖4所示的串聯(lián)蜂窩的基本結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如何選取使其成為穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)還需研究。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括隔板材料、隔板厚度、隔板與蜂窩的連接方式。為研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對串聯(lián)蜂窩吸能特性的影響，采用顯式有限元軟件LS-DYNA模擬計算運動物體撞擊串聯(lián)蜂窩的過程，仿真計算如下3種串聯(lián)蜂窩結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果如圖5所示。

1) 結(jié)構(gòu)1：隔板為鋁合金，厚度為20 mm，蜂窩平均壓潰應(yīng)力為5 MPa，蜂窩與隔板間的接觸摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3。隔板出現(xiàn)傾斜，蜂窩變形模式不好。

2) 結(jié)構(gòu)2：隔板為鋁合金，厚度為40 mm，蜂窩平均壓潰應(yīng)力為5 MPa，蜂窩與隔板間的接觸摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3。隔板出現(xiàn)傾斜，蜂窩變形模式不好。

3) 結(jié)構(gòu)3：隔板為鋁合金，厚度為20 mm，蜂窩平均壓潰應(yīng)力為5 MPa，蜂窩與隔板間設(shè)置為固連。隔板未傾斜，蜂窩變形模式好。

(a) 結(jié)構(gòu)1；(b) 結(jié)構(gòu)2；(c) 結(jié)構(gòu)3

比較仿真結(jié)果可以得出：蜂窩與隔板不固連時，在一定范圍內(nèi)增加隔板厚度，不能避免隔板傾斜；將蜂窩與隔板粘連時，蜂窩與隔板沒有出現(xiàn)相對滑動，隔板未傾斜，蜂窩的變形模式好。仿真結(jié)果表明：隔板厚度不是影響隔板穩(wěn)定性的主要因素，蜂窩串聯(lián)時蜂窩與隔板可靠粘接能有效防止隔板傾斜和蜂窩失穩(wěn)，這種蜂窩串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式吸能量大。

4 串聯(lián)蜂窩沖擊穩(wěn)定性試驗

4.1 試驗裝置

為了驗證串聯(lián)蜂窩結(jié)構(gòu)的沖擊穩(wěn)定性，設(shè)計制造了一套撞擊試驗臺。將蜂窩串聯(lián)后放置在藍色安裝架的矩形槽中，臺車的撞擊頭正對蜂窩安裝槽，將臺車加速后直接撞擊串聯(lián)的蜂窩組件，通過高速攝影設(shè)備拍攝撞擊過程。串聯(lián)蜂窩被臺車撞擊的一端稱為撞擊端；緊貼剛性墻的另一端稱為固定端，剛性墻上安裝有壓力傳感器。

4.2 試驗結(jié)果

在試驗臺上開展3次試驗，各工況的參數(shù)如表1所示。圖6所示為臺車撞擊后蜂窩組件的變形實物圖，圖7所示為蜂窩組件固定端測力曲線。

1) 工況1。隔板出現(xiàn)了扭曲和傾斜，蜂窩沿截面長度方向嚴重偏斜，出現(xiàn)了剪切變形，變形模式不好；固定端撞擊力在初始時刻波動劇烈，峰值力大，在后續(xù)撞擊過程中，撞擊力小于靜態(tài)向壓縮情況下的壓力。

表1 實驗參數(shù)

(a) 工況1；(b) 工況2；(c) 工況3

1—工況1；2—工況2；3—工況3。

2) 工況2。蜂窩與聚氟乙烯隔板發(fā)生滑動，隔板未發(fā)生變形，但出現(xiàn)了明顯傾斜，前2塊蜂窩均出現(xiàn)了嚴重的上、下偏斜壓縮。結(jié)合高速攝影拍攝的撞擊過程和圖7所示的壓力曲線可以看出：前2塊蜂窩間的聚氟乙烯隔板傾斜時，蜂窩同步偏斜并產(chǎn)生剪切變形，固定端壓力由450 kN下降到約330 kN，最后有所回升。

3) 工況3。蜂窩變形規(guī)則，蜂窩與隔板未出現(xiàn)滑動，隔板幾乎不發(fā)生傾斜；初始撞擊時，固定端壓力圍繞均值波動，之后基本維持在450 kN。

從圖6可以看出：1) 工況1的隔板厚度很小，剛度不夠，雖然能防止蜂窩相互侵入，但不能抵抗蜂窩質(zhì)量分散性引起的壓力不均勻現(xiàn)象；2) 工況2增加隔板厚度后，其剛度也相應(yīng)增加，隔板基本不發(fā)生變形，說明該隔板剛度足夠；3) 工況3蜂窩與隔板粘接成一體時，能有效抵抗隔板傾斜，蜂窩變形模式好。

比較圖7所示的蜂窩固定端壓力曲線可知：3種工況下的初始撞擊峰值力分別為980，680和690 kN，工況1的峰力比工況2和3的峰力高42%~44%。從表1可知：工況1的蜂窩未進行預(yù)壓縮，工況2和工況3的蜂窩進行了預(yù)壓縮，這說明預(yù)壓縮能有效降低串聯(lián)蜂窩的初始撞擊峰值力，但并不能消除初始峰值力，工況3的峰值力比平臺時期的力450 kN大53%。

5 結(jié)論

1) 從吸能量較大的緩沖吸能需求出發(fā)，結(jié)合單塊蜂窩的壓縮性能，提出了串聯(lián)蜂窩的結(jié)構(gòu)形式，通過仿真和實驗研究，得到了解決串聯(lián)蜂窩在動態(tài)沖擊過程中易出現(xiàn)失穩(wěn)、傾斜和不良變形等問題的方法。

2) 在串聯(lián)蜂窩四周增加約束，相鄰蜂窩間設(shè)置金屬隔板，將蜂窩與隔板粘接成一體時，隔板未變形也幾乎不傾斜，每塊蜂窩都處于異面壓縮狀態(tài)，串聯(lián)蜂窩的變形模式好，非常適合能量大的撞擊制動場合。

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(編輯 陳燦華)

Energy-absorption and impact stability of series honeycombs

LU Lu1, LU Zhaijun1, 2, YAN Ming1, LIU Chengjiang1, XIONG Youxing1

(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the structure characteristics, quasi-steady isomeric compression energy-absorption performance, pre-compression method of eliminating initial peak and strain ratio effect of the single honeycomb, a reasonable structure form of series honeycombs was put forward and the problem of instability of series honeycombs was resolved by finite element analysis and impact trials. The results show that when the series honeycombs is layed in cylinder for confining their transverse displacement, clapboards which can withstand asymmetry pressure between neighbor honeycombs and gluing honeycombs and clapboards are set in an integrated body, clapboards of series honeycombs are not distorted and hardly lean in the high-speed impact process, and deformation mode of the whole structure is good with every honeycomb in isomeric condensation state, and so this structure form of series honeycombs has strong energy-absorption abilities.

honeycomb; energy-absorption; brake

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.036

O347

A

1672?7207(2017)07?1951?06

2016?07?28；

2016?09?21

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1334208) (Project(U1334208) supported by the National Natural Science Foundation of China)

熊又星，副研究館員，從事集成化發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析；E-mail: 120628806@qq.com