船用蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊實驗研究

李應(yīng)剛，張 雨，朱 凌，郭開嶺，王緯波

（1.武漢理工大學(xué)高性能艦船技術(shù)教育部重點實驗室，武漢430063；2.西安交通大學(xué)機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室，西安710049；3.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082）

0 引 言

高技術(shù)船舶與海洋工程裝備在航行與作業(yè)過程中可能遭受重復(fù)沖擊載荷作用，如艦載機著落重復(fù)沖擊載荷、極地浮冰反復(fù)碰撞載荷等，引起結(jié)構(gòu)變形與累積損傷，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，給船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)安全帶來嚴重的威脅和極大的挑戰(zhàn)。

Shen 和Jones[1]基于理想剛塑性假設(shè)，研究了梁、圓板和方板在重復(fù)脈沖載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點，并獲得了相應(yīng)的計算梁和板撓度的理論公式；Zhu 和Faulkner[2]對四周剛固矩形板進行了剛性楔形體重復(fù)撞擊模型實驗，基于理想彈塑性材料模型提出了矩形板遭受剛性楔形沖擊時的最終撓度計算公式；Huang 等[3]進行了不同能量的質(zhì)量塊撞擊固支圓板和方板的重復(fù)沖擊實驗，實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著塑性變形的增大，板的彈性能增大，導(dǎo)致板所能吸收的塑性變形能減??；Jones[4]采用理想剛塑性模型分析了質(zhì)量塊重復(fù)沖擊作用下板的變形情況，并對重復(fù)沖擊問題進行了總結(jié)；Zhu等[5]基于理想剛塑性理論，研究了船體加筋板遭受剛性重復(fù)沖擊的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，最終提出了計算任意位置重復(fù)沖擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)最終撓度計算公式。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)在重復(fù)沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)開展了大量深入研究，取得了顯著成果。然而，當前研究對象主要集中于船體梁、船體板和加筋板等簡單結(jié)構(gòu)。蜂窩金屬夾芯結(jié)構(gòu)是一種物理功能與結(jié)構(gòu)一體化的新型、輕質(zhì)高強材料/結(jié)構(gòu)，具有高比強度、高比剛度、高韌性、高能量吸收等優(yōu)良的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)輕量化與碰撞沖擊防護領(lǐng)域[6-10]。然而，由于蜂窩金屬夾芯結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)形式、變形模式以及吸能機制的復(fù)雜性，其在重復(fù)沖擊載荷下的動態(tài)變形與累積損傷及能量吸收內(nèi)在本質(zhì)和機理尚不明確。本文采用INSTRON CEAST 9350落錘沖擊試驗機進行船用蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊實驗，研究其重復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)，揭示其動態(tài)變形累積與能量吸收機理，為其在艦船結(jié)構(gòu)輕量化與碰撞沖擊防護領(lǐng)域的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 重復(fù)沖擊實驗方案

本文加工制備的方形蜂窩金屬夾芯板由上下面板和蜂窩芯層組成，其中上下面板材料選用低碳鋼，芯層選用鋁制六邊形蜂窩，其中低碳鋼面板與蜂窩芯層采用環(huán)氧樹脂粘接連接。蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)尺寸為250 mm×250 mm，由于實驗過程需要達到固支邊界條件，夾芯板四邊開孔并通過螺栓與夾具相連，實驗中蜂窩金屬夾芯板有效尺寸為180 mm×180 mm。實驗中鋁制六邊形蜂窩芯層厚度為20 mm，蜂窩邊長為4 mm，壁厚為0.07 mm。利用萬能實驗機，進行了低碳鋼面板準靜態(tài)拉伸實驗和蜂窩鋁芯層準靜態(tài)壓縮實驗，得到低碳鋼面板和蜂窩鋁夾芯的材料屬性如圖1所示。

圖1 蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)特性Fig.1 Material mechanical properties of honeycomb sandwich plates

低碳鋼面板準靜態(tài)拉伸試件尺寸按照GB/T228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》確定。蜂窩鋁壓縮試樣尺寸為50 mm×50 mm×40 mm，試樣高度大于7倍的蜂窩孔徑，故可忽略尺寸影響。船用蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊實驗工況及幾何條件如表1所示，實驗過程中考慮了50 J、70 J和100 J三種重復(fù)沖擊能量，同時在保證質(zhì)量相同的前提下考慮了三種面板厚度分配方式。

表1 重復(fù)沖擊實驗工況Tab.1 Experimental conditions of the repeated impact tests

蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊實驗采用武漢理工大學(xué)沖擊與流固耦合實驗室的INSTRON CEAST 9350落錘沖擊實驗機進行，如圖2（a）所示。INSTRON CEAST 9350沖擊實驗機為落地式實驗系統(tǒng)，沖擊速度為0.75～24 m/s，最大沖擊質(zhì)量為70 kg，設(shè)計的沖擊能量為0.59～1 800 J。實驗中采用自行設(shè)計加工的夾具系統(tǒng)實現(xiàn)蜂窩金屬夾芯板四周固支邊界條件。夾具系統(tǒng)由上夾具和下夾具組成，上下夾具及蜂窩金屬夾芯板之間通過螺栓連接，夾具下方與基座相連，如圖2（b）所示。實驗過程中采用半球形沖頭，直徑為40 mm，通過螺紋與沖擊桿相連。沖頭內(nèi)置力傳感器，可以監(jiān)測在沖擊過程中沖頭受到的瞬態(tài)沖擊力，實驗測試數(shù)據(jù)經(jīng)過DAS 64K系統(tǒng)進行采集，并在PC機上的CEASTVIEW 軟件中分析和處理，最終得到加速度時程曲線、速度時程曲線、位移時程曲線、能量時程曲線等動態(tài)沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)。實驗開始前對蜂窩金屬夾芯板的上下面板用白色記號筆畫格子線，對中間變形較大區(qū)域進行加密，方便觀察沖擊變形。單次沖擊實驗結(jié)束后，取下蜂窩金屬夾芯板及其固定夾具系統(tǒng)，使用水平豎直兩把刻度尺組成的滑動測量尺以及測量精度為0.01 mm 的游標卡尺測量蜂窩金屬夾芯板的最終撓度，每次測量重復(fù)三次取平均值，以保證最終變形測試結(jié)果的可靠性。

圖2 蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊實驗裝置Fig.2 Repeated impact test apparatus of honeycomb sandwich plates

2 重復(fù)沖擊實驗結(jié)果

為了研究重復(fù)沖擊載荷下蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)，采用INSTRON CEAST 9350 落錘沖擊實驗機進行了重復(fù)沖擊實驗，選取典型實驗工況T1E3條件下蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)從第一次到第十次沖擊載荷作用下塑性變形累積過程進行分析，重復(fù)沖擊實驗結(jié)果如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，重復(fù)沖擊載荷作用下蜂窩金屬夾芯板界處的直線沒有出現(xiàn)彎曲，說明重復(fù)沖擊過程中所設(shè)計的夾具可以近似滿足固支邊界條件。第一次沖擊載荷作用下，蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)上面板產(chǎn)生明顯局部凹陷，主要表現(xiàn)為局部凹陷與整體彎曲的耦合變形模態(tài)，下面板主要表現(xiàn)為整體彎曲變形模態(tài)，上面板中點彎曲撓度遠遠大于下面板中點彎曲撓度。隨著重復(fù)沖擊次數(shù)增加，蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)上下面板的彎曲變形逐漸增大，上面板出現(xiàn)裂紋損傷直至破壞，蜂窩芯層薄壁結(jié)構(gòu)逐漸達到密實化，下面板變形模態(tài)則經(jīng)歷了從整體彎曲到整體彎曲與局部凹陷的耦合模式的轉(zhuǎn)變過程。

圖3 蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊變形累積過程Fig.3 Deformation accumulation processes of HSP under repeated impacts

為了深入分析蜂窩金屬夾芯板沖擊動態(tài)響應(yīng)特性，采用力傳感器配合DAS 64K 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別得到典型實驗工況T1E3條件下第一次動態(tài)沖擊下蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)的載荷時程曲線、速度時程曲線、位移時程曲線及載荷-位移曲線如圖4所示。

圖4 蜂窩金屬夾芯板單次沖擊動態(tài)響應(yīng)Fig.4 Dynamic responses of HSP under single impact

從圖4（a）中可以看到，蜂窩金屬夾芯板第一次動態(tài)沖擊載荷時程曲線近似為半波正弦脈沖，曲線中存在較多小幅度波動，主要是由于蜂窩芯層薄壁結(jié)構(gòu)在沖擊過程中產(chǎn)生屈曲變形引起。圖4（b）表明蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)在第一次動態(tài)沖擊過程中沖擊速度由初始最大值逐漸減小為零，最后沖頭以1m/s 速度反彈。從圖4（c）和（d）可以發(fā)現(xiàn)，蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下上面板中點塑性變形逐漸增大，最大變形達到14.9 mm。隨著動態(tài)沖擊過程結(jié)束，由于夾芯結(jié)構(gòu)彈性效應(yīng)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)回彈，夾芯結(jié)構(gòu)永久塑性變形為13.5 mm。沖擊能量最終轉(zhuǎn)化為沖頭反彈動能和蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)塑性變形能，蜂窩金屬夾芯板第1次動態(tài)沖擊能量吸收率達到96%，表明蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗沖擊與能量吸收性能。

為了進一步闡明蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)與能量吸收演化機制，我們通過實驗分別得到典型實驗工況T1E3條件下蜂窩金屬夾芯板第1次到第10次沖擊載荷作用下載荷時程曲線、位移時程曲線、載荷-位移加卸載曲線以及上下面板彎曲變形與蜂窩芯層壓縮變形，如圖5所示。由圖可知，隨著重復(fù)沖擊次數(shù)的增加，沖擊力峰值逐漸增大，沖擊接觸時間減小，加載曲線斜率逐漸增大，蜂窩金屬夾芯板上下面板中點最大撓度和最終撓度逐漸累積增大。分析原因是由于重復(fù)沖擊載荷作用下蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)漸進強化，結(jié)構(gòu)整體抗彎剛度增大。另一方面，從圖5（c）和（d）可以發(fā)現(xiàn)，蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)的重復(fù)沖擊載荷-位移曲線和撓度-沖擊次數(shù)曲線明顯存在兩個階段。當沖擊次數(shù)低于7次時，蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊力峰值呈線性增大，上下面板彎曲撓度和蜂窩芯層壓縮量呈線性增長，由于局部凹陷的產(chǎn)生，上面板的變形增長速率明顯高于下面板，上面板和芯層吸收了大部分能量，下面板遭受的沖擊能量較小，所產(chǎn)生的變形較小。當沖擊次數(shù)達到7次以后，沖擊力峰值出現(xiàn)了跳躍性上升后繼續(xù)呈線性趨勢增大，上下面板彎曲撓度仍然呈線性累積，且上下面板彎曲變形增長速率基本相同，然而蜂窩芯層壓縮量基本保持不變。分析原因是由于重復(fù)沖擊載荷作用下蜂窩芯層薄壁結(jié)構(gòu)壓縮變形逐漸達到密實化，上下面板主要以局部凹陷和整體彎曲的耦合變形模態(tài)承受沖擊，蜂窩芯層基本不再起到抗沖擊與能量吸收作用。

圖5 蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)Fig.5 Dynamic responses of HSP under repeated impacts

3 參數(shù)影響研究

3.1 沖擊能量的影響

為了研究沖擊能量對蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)的影響，我們開展T1E1、T1E2和T1E3工況重復(fù)沖擊實驗，分別得到?jīng)_擊能量為50 J、70 J、100 J時蜂窩金屬夾芯板第1次到第10次沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)實驗結(jié)果如圖6 所示。由圖可知，三種重復(fù)沖擊能量作用下蜂窩金屬夾芯板的上下面板彎曲撓度以及蜂窩芯層壓縮量逐漸增加，沖擊能量吸收率逐漸下降。這是由于重復(fù)沖擊載荷作用下蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)漸進強化，蜂窩芯層漸進壓實，結(jié)構(gòu)整體抗彎剛度增大，沖頭沖擊反彈速度逐漸增大，反彈動能升高，塑性變形吸能下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體能量吸收率下降。同樣次數(shù)沖擊載荷作用下，隨著重復(fù)沖擊能量增大，蜂窩金屬夾芯板上下面板的彎曲撓度以及蜂窩芯層壓縮量逐漸增加，塑性變形能量吸收增大，沖擊能量吸收率增大，10次重復(fù)沖擊載荷作用下只有在100 J能量時蜂窩芯層達到壓實狀態(tài)。

圖6 沖擊能量對蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)影響Fig.6 Effect of impact energies on the repeated impact responses of HSPs

3.2 面板厚度分配的影響

為了實現(xiàn)蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)抗重復(fù)沖擊性能與能量吸收性能優(yōu)化，開展了面板厚度分配對蜂窩金屬夾芯板動態(tài)響應(yīng)影響規(guī)律的實驗研究，實驗過程中在保證質(zhì)量相同的條件下考慮了T1E1、T2E1和T3E1三種面板厚度分配方式。T1E1、T2E1和T3E1工況條件下蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊動態(tài)變形與能量吸收特性實驗結(jié)果對比如圖7 所示。由圖可知，重復(fù)沖擊載荷作用下三種面板厚度分配方式的蜂窩金屬夾芯板的上下面板彎曲撓度以及蜂窩芯層壓縮量逐漸增加，上下面板彎曲變形量和蜂窩芯層壓縮變形量的增長速率下降，沖擊能量吸收率逐漸下降。分析原因是由于重復(fù)沖擊載荷作用下蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)整體抗彎剛度增大，重復(fù)沖擊累積變形增長率減小。另一方面，相同沖擊能量和沖擊次數(shù)條件下，隨著蜂窩金屬夾芯板上面板厚度增大以及下面板厚度減小，上面板產(chǎn)生的彎曲變形減小，下面板產(chǎn)生的彎曲變形增大，蜂窩芯層的壓縮量降低，蜂窩金屬夾芯板主要以整體彎曲變形吸能為主，面板局部凹陷與蜂窩芯層薄壁結(jié)構(gòu)屈曲變形吸能作用降低，蜂窩金屬夾芯板整體能量吸收率相對下降。由此可知，相同質(zhì)量條件下提高蜂窩金屬夾芯板上面板厚度可以有效提升抗重復(fù)沖擊性能，降低上面板厚度則可以提升結(jié)構(gòu)的動態(tài)沖擊能量吸收性能。

圖7 面板厚度分配對蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)影響Fig.7 Effect of plate thickness distributions on the repeated impact responses of HSPs

4 結(jié) 論

本文采用落錘沖擊試驗機開展了船用蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊實驗，研究了其重復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)與能量吸收特性，分析了沖擊能量、面板厚度分配對蜂窩金屬夾芯板重復(fù)沖擊動態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。實驗研究結(jié)果表明：重復(fù)沖擊載荷作用下，蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)上下面板彎曲變形逐漸累積增大，蜂窩芯層薄壁結(jié)構(gòu)逐漸達到密實化，結(jié)構(gòu)整體抗彎剛度增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體能量吸收率下降；上面板主要表現(xiàn)為局部凹陷與整體彎曲的耦合變形模態(tài)，下面板變形模態(tài)經(jīng)歷了從整體彎曲到整體彎曲與局部凹陷的耦合模式的轉(zhuǎn)變過程；通過調(diào)節(jié)上下面板厚度分配可以有效改善蜂窩金屬夾芯板結(jié)構(gòu)重復(fù)沖擊動態(tài)變形累積及能量吸收性能。