蜂窩夾芯板在高速沖擊下的動態(tài)響應研究

胡方靚 余 晟

（1.中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001；2.海裝武漢局駐南昌地區(qū)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(jīng)廣泛應用于軍事和民用領(lǐng)域，然而，近幾十年來，直升機安全問題越來越受到關(guān)注。對直升機事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機耐撞性被視為關(guān)鍵問題之一。但直到越南戰(zhàn)爭時期才引起足夠的重視，第一批優(yōu)先考慮防撞設(shè)計的是UH-60 黑鷹和AH-64 阿帕奇直升機[2]。在之后的開發(fā)中，耐撞性設(shè)計變得越來越重要。而在各種典型的能量吸收結(jié)構(gòu)中，蜂窩結(jié)構(gòu)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(shù)工程領(lǐng)域得到了廣泛應用[3]。迄今為止，在耐撞性研究中，人們開發(fā)了許多蜂窩夾層結(jié)構(gòu)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(jié)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(guī)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(guān)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)幾何屬性對其抗沖擊的影響有了系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的有限元模型，并模擬了破片侵徹夾芯結(jié)構(gòu)的過程，分析了在破片高速貫穿夾芯板時，結(jié)構(gòu)各部分的損傷情況。并進一步對比了各部分參數(shù)的變化對其吸能的影響，旨在進一步了解夾芯結(jié)構(gòu)的面板、芯層的參數(shù)和夾芯板耐撞性之間的關(guān)系。

1 數(shù)值仿真模型及參數(shù)設(shè)置

有限元模型分為夾芯結(jié)構(gòu)和破片，其中夾芯板的結(jié)構(gòu)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(zhì)量為7.05g。由于主要研究夾芯板的動態(tài)響應過程，所以不考慮破片自身的變形情況，將破片設(shè)置為鋼體結(jié)構(gòu)。

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意圖

在ABAQUS 中，網(wǎng)格的數(shù)量決定了計算結(jié)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(qū)域進行網(wǎng)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(guān)系設(shè)定為Tie 接觸，破片和夾芯結(jié)構(gòu)之間的碰撞關(guān)系設(shè)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(shù)為0.3。

圖2 網(wǎng)格情況和邊界條件定義

在本次數(shù)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(gòu)方程[8-9]。公式如下。

式中，材料參數(shù)的值取自《國際沖擊工程》中公布的數(shù)據(jù)[9]，具體的參數(shù)如表1 所示。

表1 材料屬性

2 數(shù)值計算方法的驗證

為了驗證數(shù)值仿真方法的合理性，本文將仿真結(jié)果同Sun 等人[10]的試驗結(jié)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(xiàn)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(shù)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(jié)果的合理性。

圖3 侵徹試驗裝置

破片在數(shù)值仿真和試驗過程中的剩余速度結(jié)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(tài)。因此在入射速度較小時，仿真結(jié)果與試驗結(jié)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(jié)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(xiàn)凹陷變形，其變形的撓度大小基本上與試驗結(jié)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(shù)據(jù)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(jié)果對比

本文主要研究夾芯結(jié)構(gòu)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(qū)域的芯層被完全破壞，遠離沖擊區(qū)域的芯層受到擠壓屈曲變形，并與后面板出現(xiàn)脫粘，而這些破壞情況在數(shù)值仿真中也得到了體現(xiàn)。綜合3 種情況，說明可以使用ABAQUS來仿真夾芯結(jié)構(gòu)在高速破片侵徹下的動態(tài)響應過程。

圖5 夾芯板毀傷破壞情況（左：試驗結(jié)果，右：有限元模型）

3 計算結(jié)果與分析

3.1 物理過程分析

數(shù)值仿真比起試驗能夠更為直觀地觀察夾芯板內(nèi)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(xiàn)屈曲破壞，并與前面板發(fā)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(xiàn)“脫粘”。但同時，遠離沖擊位置的部分仍保持完整的結(jié)構(gòu)，破片對夾芯板的毀傷影響能力僅存在于沖擊區(qū)域內(nèi)。

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(zhuǎn)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(fā)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(jié)合圖7 與圖4 可知，夾芯結(jié)構(gòu)的吸能情況與其自身的毀傷情況有關(guān)，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(yōu)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(shù)值仿真可以改變破片侵徹的速度，通過數(shù)值仿真設(shè)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(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shù)研究

4.1 幾何參數(shù)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(shù)，得到了夾芯板在面板、芯層在不同幾何參數(shù)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(shù)，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(shù)對能量吸收的影響

為了研究高速沖擊下夾芯板的動態(tài)響應，在ABAQUS中將破片的速度設(shè)置為250m/s，實現(xiàn)所有工況下夾芯板均完全貫穿。得到的結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)以及各個部分的能量吸收效率。而僅改變芯層參數(shù)時，因為芯層自身結(jié)構(gòu)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(shù)，也因為自身比重太低而對整個結(jié)果影響很小。

圖10 蜂窩夾芯板的能量吸收結(jié)果

4.3 幾何參數(shù)對比吸能的影響

在直升機的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)盡可能滿足輕量化設(shè)計。所以在研究夾芯板的抗高速沖擊性能時，也需要考慮質(zhì)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(zhì)量因素之后，得到了不同幾何參數(shù)下蜂窩夾芯板的比吸能結(jié)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(zhì)量的增加。而改變芯層的幾何參數(shù)，對結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和吸能都影響較小，所以整體的結(jié)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(tài)下也能有一個比吸能較高的結(jié)果。

圖11 蜂窩夾芯板的比吸能結(jié)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(guān)，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(jié)構(gòu)質(zhì)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(shù)對整體抗沖擊作用也影響較小。

5 結(jié)語

本文通過ABAQUS 建立了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的有限元模型，對其抗高速沖擊性能進行了數(shù)值仿真研究，得出以下幾點結(jié)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(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，并且沖擊區(qū)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(jié)構(gòu)的抗高速沖擊性能的方式就是增加面板厚度，但結(jié)合輕量化設(shè)計時，則需要考慮質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中占比較低，所以改變其幾何參數(shù)對整體效果影響較少。