三角形蜂窩在面內(nèi)沖擊荷載下的力學(xué)性能

胡玲玲，陳依驪

(中山大學(xué) 工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)與工程系，廣州 510275)

三角形蜂窩在面內(nèi)沖擊荷載下的力學(xué)性能

胡玲玲，陳依驪

(中山大學(xué) 工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)與工程系，廣州 510275)

通過數(shù)值計(jì)算研究規(guī)則排布和交錯(cuò)排布的三角形鋁蜂窩在面內(nèi)沖擊荷載下的變形模式、承載能力以及能量吸收特性。結(jié)果表明兩種蜂窩的變形均隨著沖擊速度的增加或胞壁厚度的減小而向沖擊端集中，規(guī)則排布的蜂窩沿著局部變形帶逐行壓潰直至密實(shí)，而交錯(cuò)排布蜂窩的變形模式可分為4種。鋁蜂窩吸收的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為變形所需的內(nèi)能，動(dòng)能所占比重較小。隨著沖擊速度的提高，兩種排布方式的蜂窩均表現(xiàn)出更強(qiáng)的承載能力和能量吸收能力，但內(nèi)能在總能量中的比重減小，動(dòng)能比重增加。規(guī)則排布的蜂窩比交錯(cuò)排布的蜂窩具有更高的承載力和能量吸收能力，該差別主要是由于二者內(nèi)能的不同所引起，且該差值在交錯(cuò)排布蜂窩“核區(qū)”形成后逐漸減小。

蜂窩;沖擊;變形模式;能量吸收

蜂窩作為一種多胞材料，具有良好的能量吸收能力、較高的比強(qiáng)度和比剛度等優(yōu)異性能，因此將其做成輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量吸收構(gòu)件，在航空航天、汽車工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［1］。作為吸能材料其往往受到?jīng)_擊荷載的作用，因此對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究已成為近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。Ruan［2］，Zou［3］等通過數(shù)值計(jì)算研究了六角形蜂窩的變形模式和承載能力。Hu 和 Yu［4，5］根據(jù)六角蜂窩在高速?zèng)_擊下的變形模式提出理論模型，推導(dǎo)了其承載力和能量吸收能力的表達(dá)式，并對(duì)各種能量的分配進(jìn)行了討論。盧文浩等［6］運(yùn)用理論分析和有限元數(shù)值計(jì)算對(duì)六角形蜂窩單個(gè)胞體和多個(gè)胞體在動(dòng)態(tài)沖擊下的變形情況和能量吸收能力進(jìn)行了研究。Papka等［7，8］通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了圓形胞元蜂窩的力學(xué)性能，Hu和Yu［9］通過定義非均勻指標(biāo)討論了圓形胞元蜂窩在面內(nèi)荷載下的非均勻變形。Liu等［10－12］對(duì)具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)胞元的蜂窩進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了它們的能量吸收性能。Zheng等［13］數(shù)值研究了不規(guī)則的隨機(jī)蜂窩在面內(nèi)沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。這些研究表明胞元結(jié)構(gòu)的不同會(huì)使蜂窩展現(xiàn)出不同的變形模式和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。因此除了傳統(tǒng)的六角形蜂窩外，我們需要深入了解具有其它胞元結(jié)構(gòu)的蜂窩的力學(xué)行為，為蜂窩胞元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

本文通過數(shù)值計(jì)算研究規(guī)則排布和交錯(cuò)排布的三角形鋁蜂窩在沖擊荷載下的力學(xué)性能。對(duì)它們的變形模式進(jìn)行分析和歸類，比較兩種蜂窩應(yīng)力－應(yīng)變曲線的特點(diǎn)和平臺(tái)應(yīng)力值，并進(jìn)一步分析它們的能量吸收性能和能量分配特點(diǎn)。

1 計(jì)算模型

本文采用ANSYS－LSDYNA建立三角形鋁蜂窩的有限元模型，如圖1所示。該模型在x1和x2方向分別有18和25個(gè)胞，沿x1和x2方向的尺寸分別為L(zhǎng)1=70.1 mm 和 L2=58.5 mm，模型的面外(沿 x3方向)厚度為b=0.5 mm。蜂窩的胞壁邊長(zhǎng)l=4.5 mm，壁厚h有5 種:0.1 mm，0.3 mm，0.5 mm，0.6 mm 和 0.8 mm。將鋁蜂窩放置在一個(gè)固定的剛性板上，在其上方受到另一剛性板以恒定速度V沿x1方向的沖擊。三角形胞元的排布分為規(guī)則排布和交錯(cuò)排布2種方式，如圖2所示。計(jì)算中采用了不同的加載速度V，分別為10 m/s、35 m/s、70 m/s，110 m/s 和 140 m/s。胞壁采用理想彈塑性材料，楊氏模量 E=69 GPa，屈服應(yīng)力σys=76 MPa，密度 ρs=2 700 kg/m3，泊松比 υ =0.3。剛性板的楊氏模量為210 GPa，密度為7 800 kg/m3。每個(gè)胞壁劃分為16個(gè)殼單元，并限制各節(jié)點(diǎn)的面外位移以防止試件發(fā)生面外屈曲。對(duì)蜂窩設(shè)置單面自接觸，蜂窩與上下鋼板間設(shè)置面－面接觸。

2 結(jié)果分析

2.1 變形模式

規(guī)則排布的蜂窩在所研究的速度范圍和壁厚范圍內(nèi)變形模式差別不大:在沖擊端首先形成第一局部變形帶，位于底端的第二局部變形帶稍后形成，隨后胞元沿著第一、第二變形帶交替變形，逐行壓潰直至壓實(shí)，如圖3(a)所示。它們的主要區(qū)別在于加載速度越高，壁厚越薄，其變形越集中在沖擊端，也即在形成第二變形帶前有更多行的胞元在第一變形區(qū)被壓潰，甚至不形成第2變形帶，如圖3(b)所示。

圖3 規(guī)則排布三角形蜂窩的變形模式Fig.3 Deformation pattens of honeycombs filled with regular-arranged triangular cells

交錯(cuò)排布的三角形鋁蜂窩在中低速?zèng)_擊荷載下除了沿x1方向的壓縮密實(shí)外，沿x2方向表現(xiàn)出橫向收縮的特性，即“頸縮”現(xiàn)象，在沖擊過程中逐漸形成內(nèi)部“核區(qū)”，“核區(qū)”靠近固定端時(shí)稱之為“下X模式”圖4(a)，靠近沖擊端時(shí)，稱為“上X模式”圖4(b)。這種“頸縮”現(xiàn)象導(dǎo)致了交錯(cuò)排布蜂窩在中低速?zèng)_擊下特有的力學(xué)性能，如下文所討論。在高速?zèng)_擊下，蜂窩不會(huì)發(fā)生頸縮現(xiàn)象，而是形成靠近沖擊端的局部變形帶，胞體自上而下逐層壓潰，直至底端，如圖4(d)所示，稱為“I模式”?！盎旌夏Ｊ健眻D4(c)是“I模式”和“X模式”的過渡模式，既有輕度的頸縮現(xiàn)象，又形成局部變形帶。

圖4 交錯(cuò)排布三角形蜂窩的變形模式Fig.4 Deformation pattens of honeycombs filled with stagger-arranged triangular cells

交錯(cuò)排布三角形鋁蜂窩在不同條件下的變形模式分類如圖5所示?？梢?，沖擊速度對(duì)蜂窩的變形模式影響很大，隨著沖擊速度的增加，蜂窩的變形模式由“下X模式”逐漸過渡到“上X模式”、“混合模式”，在高速?zèng)_擊時(shí)形成“Ⅰ模式”。這反映了隨著沖擊速度的增加蜂窩的集中變形區(qū)域由固定端逐步向沖擊端發(fā)展。減小胞壁厚度與提高沖擊速度有著類似的效果?！癤模式”和“混合模式”也說明交錯(cuò)排布的蜂窩比規(guī)則排布蜂窩更趨于整體變形。

圖5 交錯(cuò)排布三角形蜂窩的變形模式分類圖Fig.5 Classfied chart of deformation pattens of honeycombs filled with stagger－arranged triangular cells

2.2 應(yīng)力－應(yīng)變曲線及平臺(tái)應(yīng)力

兩種排布的鋁蜂窩在中低速(35 m/s)和高速(110 m/s)沖擊下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線分別如圖6(a)和圖6(b)所示，其中R表示規(guī)則排布，S表示交錯(cuò)排布，下同。圖中應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)欧謩e定義為:

其中，F(xiàn)為剛性沖擊板與蜂窩試件間的接觸力，L1f為試件變形后沿x1方向的尺寸。

由于交錯(cuò)排布的三角形蜂窩更趨于整體變形，其動(dòng)力響應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，應(yīng)力－應(yīng)變曲線的振幅較小。規(guī)則排布的蜂窩和高速?zèng)_擊下的交錯(cuò)排布蜂窩都具有比較穩(wěn)定的應(yīng)力平臺(tái)區(qū)，但當(dāng)沖擊速度較低時(shí)圖6(a)，交錯(cuò)排布蜂窩的應(yīng)力平臺(tái)區(qū)在經(jīng)歷一個(gè)平穩(wěn)階段后(圖中應(yīng)變大于0.2后)開始明顯上升，這種現(xiàn)象存在于所有發(fā)生“X變形模式”的工況中。究其原因，“X模式”特有的頸縮現(xiàn)象使試件在縱向?qū)ΨQ軸附近表現(xiàn)出較高的局部剛度區(qū)，隨著壓縮量的增大，“核區(qū)”逐漸形成，從而提高了蜂窩的承載能力。并且加載速度越大，“核區(qū)”形成所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也越大。

將應(yīng)力－應(yīng)變曲線平臺(tái)階段的應(yīng)力取平均作為鋁蜂窩的平臺(tái)應(yīng)力值，圖7給出了兩種排布方式的蜂窩分別在35 m/s和110 m/s的沖擊速度下平臺(tái)應(yīng)力值隨胞壁厚度的變化曲線。由圖可見，兩種排布方式蜂窩的平臺(tái)應(yīng)力值均隨著胞壁厚度的增加而增加，沖擊速度越高，它們的平臺(tái)應(yīng)力也越大。規(guī)則排布的蜂窩比交錯(cuò)排布的蜂窩具有更高的承載能力，并且加載速度越大，二者之間的差別也越明顯。

2.3 能量吸收性能

2.3.1 比能量

圖8為胞元壁厚為0.5 mm的三角形鋁蜂窩在不同加載速度下的比能量－應(yīng)變曲線，其中比能量指單位體積吸收的能量，等于應(yīng)力對(duì)應(yīng)變的積分。結(jié)果表明，隨著沖擊速度的提高，兩種排布方式的蜂窩均表現(xiàn)出更強(qiáng)的能量吸收能力。當(dāng)沖擊速度為高速時(shí)，規(guī)則排布蜂窩的能量吸收能力明顯強(qiáng)于交錯(cuò)排布的蜂窩材料。而對(duì)于中低速?zèng)_擊的情況，在應(yīng)變不大時(shí)，規(guī)則排布蜂窩的能量吸收能力強(qiáng)于交錯(cuò)排布的蜂窩材料;隨應(yīng)變的增加，規(guī)則排布的三角形蜂窩的吸能曲線漸趨平緩，而交錯(cuò)排布的曲線的斜率逐漸增大，使其在達(dá)到一定應(yīng)變后甚至超過規(guī)則排布蜂窩的曲線。這與交錯(cuò)排布蜂窩在中低速?zèng)_擊下內(nèi)部形成的“核區(qū)”有關(guān)，“核區(qū)”的形成提高了蜂窩的承載能力，從而使其能量較快地增加。又由于較高的沖擊速度下，“核區(qū)”形成于較大的應(yīng)變，因此兩種蜂窩的曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值隨沖擊速度的增加而增加。

2.3.2 能量分配

在整個(gè)沖擊過程中，蜂窩所吸收的能量主要轉(zhuǎn)化為兩大部分，即蜂窩的內(nèi)能和動(dòng)能，此外還有一小部分能量通過摩擦、熱能等形式耗散掉。本文重點(diǎn)討論內(nèi)能和動(dòng)能這兩部分能量，并將二者之和定義為總能。在有限元計(jì)算中，蜂窩的內(nèi)能I和動(dòng)能K的計(jì)算公式分別為:

圖8 三角形蜂窩在不同沖擊速度下的比能量－應(yīng)變曲線 (h=0.5 mm)Fig.8 Specific energy-strain curves of triagular honeycombs under various impact velocities

其中，a為單元節(jié)點(diǎn)位移向量，K為單元?jiǎng)偠染仃?，M為單元質(zhì)量矩陣。

兩種排布方式的三角形鋁蜂窩的能量比較曲線如圖9所示。交錯(cuò)排布蜂窩在變形過程中的動(dòng)能比規(guī)則排布的大，兩種排布方式吸能能力(總能)之間的差別主要來自于內(nèi)能，并且該差值在交錯(cuò)排布蜂窩的“核區(qū)”形成后逐漸減小。

圖10展示了兩種方式排布下的蜂窩的能量分配曲線。規(guī)則排布蜂窩所吸收能量中內(nèi)能與動(dòng)能的比值相對(duì)穩(wěn)定，且80%以上的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，其動(dòng)能所占比重較交錯(cuò)排布的蜂窩小。在高速?zèng)_擊下圖10(b)，兩種排布的蜂窩均以局部變形帶的形式逐層壓潰，因而它們的動(dòng)能在受沖擊的初始時(shí)刻隨應(yīng)變?cè)黾蛹彼偕仙?，占能量的主要部分，隨著胞元發(fā)生塑性變形，胞元逐行壓潰，內(nèi)能隨之增大，在進(jìn)入平臺(tái)區(qū)后穩(wěn)定在某一值(規(guī)則排布在80%左右，交錯(cuò)排布在60%左右)。中低速時(shí)圖10(a)，交錯(cuò)排布的蜂窩趨于整體變形，因而在變形過程中其內(nèi)能比重逐漸增加，動(dòng)能比重逐漸減小，最終達(dá)到并穩(wěn)定于與規(guī)則排布蜂窩相當(dāng)?shù)乃?。另外，圖10也顯示出沖擊速度越大，兩種蜂窩的動(dòng)能所占比重也越大，內(nèi)能比重越小。

3 結(jié)論

(1)沖擊荷載下，規(guī)則排布的三角形蜂窩沿著局部變形帶逐行壓潰直至密實(shí)，而交錯(cuò)排布的蜂窩在不同條件下的變形模式差異很大，可歸納為“下X模式”、“上X模式”、“混合模式”和“I模式”4種變形模式;兩種排布的蜂窩均表明加載速度越高，胞壁厚度越薄，其變形越向沖擊端集中。

(2)蜂窩吸收的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為變形所需的內(nèi)能。隨著沖擊速度的提高，兩種排布方式的蜂窩均表現(xiàn)出更強(qiáng)的承載力和能量吸收能力，但內(nèi)能在總能量中的比重減小，動(dòng)能比重增加。

(3)規(guī)則排布的蜂窩比交錯(cuò)排布的蜂窩具有更高的承載力和能量吸收能力，并且加載速度越大，二者之間的差別也越明顯。該差別主要是由于二者內(nèi)能的不同所引起，并且該差值在交錯(cuò)排布蜂窩“核區(qū)”形成后逐漸減小。

［1］ Gibson L J，Ashby M F.Cellular Solids:Structure and Properties，2nd ed.Cambridge University Press，1997.

［2］Ruan D，Lu G，Wang B，et al.In-plane dynamic crushing if honeycombs finite element study.Int J Impact Eng，2003;28:161－182.

［3］ Zou Z，Reid S R，Tan P J，et al.Dynamic crushing of honeycombs and features of shock fronts.Int J Impact Eng，2009:36(1):165－176.

［4］ Hu L L，Yu T X.Dynamic crushing strength of hexagonal honeycombs.Int J Impact Eng，2010，37:467 －474.

［5］胡玲玲，余同希.慣性效應(yīng)對(duì)蜂窩能量吸收性能的影響［J］.兵工學(xué)報(bào)，2009，30(52):24 －27.

［6］盧文浩，鮑榮浩.動(dòng)態(tài)沖擊下峰窩材料的力學(xué)行為［J］.振動(dòng)與沖擊，2005，24(1):49－52.

［7］ Papka S D，Kyriakides S.Biaxial crushing of honeycombs-Part I:Experiments［J］.Int J Solids Struct，1999;36(29):4367－4396.

［8］ Papka S D，Kyriakides S.Biaxial crushing of honeycombs-Part II:Analysis［J］.Int J Solids Struct，1999;36(29):4397－4423.

［9］ Hu L L，Yu T X，Gao Z Y，et al.The inhomogeneous deformation of polycarbonate circular honeycombs under inplane compression［J］. IntJMech Sci， 2008，50:1224－1236.

［10］ Liu Ying，Zhang Xin-Chun.The influence of cell microtopology on the in-plane dynamic crushing of honeycombs［J］.Int J Impact Eng 2009:36(1):98 －109.

［11］張新春，劉 穎，章梓茂.組合蜂窩材料面內(nèi)沖擊性能的研究［J］.工程力學(xué)，2009，26(6):220－225.

［12］劉 穎，張新春.胞元微拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)蜂窩材料面內(nèi)沖擊性能的影響［J］.爆炸與沖擊，2008，28(6):494－502.

［13］ Zheng Z，Yu J，Li J.dynamic crushing of 2D cellular structures:a finite element study［J］.Int J Impact Eng 2005;32:650－664.

Mechanical properties of triangular honeycombs under in-plane impact loading

HU Ling-ling，CHEN Yi-li

(Department of Applied Mechanics＆ Engineering，School of Engineering，Zhongshan University，Guangzhou 510275，China)

The deformation patterns，the load-bearing capacity，and the energy absorption behavior of honeycombs filled with regular-arranged and stagger-arranged triangular cells under in-plane impact were studied by using numerical simulation.The results showed that the deformation bound of honeycombs is gradually concentrated to the impact place with increase in impact velocity or decrease in cell wall thickness;the honeycomb filled with regular-arranged cells is crushed row by row to densification，while four kinds of deformation pattern are summed up for the honeycomb filled with stagger-arranged cells;most of the energy absorbed by honeycombs is converted into strain energy，while kinetic energy has a less proportion;with increase in impact velocity，both of the two kinds of honeycomb reveals stronger ability to bear load and absorb energy，the proportion of strain energy decreases with increase in impact velocity，while the proportion of kinetic energy increases;the honeycombs filled with regular-arranged cells have better load-bearing capacity and energy absorption ability than the ones filled with stagger-arranged cells due to their different strain energy，and the difference gradually diminishes after the core region in the honeycomb filled with stagger-arranged cells appears.

honeycomb;impact;deformation pattern;energy absorption

O347

A

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10802100);高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)中山大學(xué)青年教師培育項(xiàng)目(3161263)

2010－01－14 修改稿收到日期:2010－03－29

胡玲玲 女，博士，副教授，1980年10月生