芯層幾何構形對復合材料波紋夾層結構沖擊特性的影響

駱 偉，謝 偉，劉敬喜

(1.中國艦船研究設計中心,武漢 430064) (2.華中科技大學 船舶與海洋工程學院,武漢 430074)

波紋夾層結構是由兩個強度較高的薄面板以及中間輕質波紋芯層組成的一種混雜復合材料夾層結構．與蜂窩夾層結構、泡沫夾層結構、點陣夾層結構相比,波紋夾層結構具有較高的縱向彎曲性能,以及在抗剪切、抗扭等方面具有較為平衡的力學性能和較高的承載效率(極限承載能力與結構重量之比),因此，在航空航天、汽車、船舶等領域的應用越來越多．

近年來,國內外廣大研究人員針對金屬波紋夾層結構力學性能開展了大量的研究工作,對金屬波紋芯層結構的構型如三角形、梯形、矩形等進行了較為深入的分析[1]．文獻[2]中將芯層簡化為連續(xù)介質,對芯層為三角形形式的波紋夾層結構的面內拉伸、面內剪切和彎曲性能進行了研究；文獻[3-4]中 采用試驗和數值模擬2種方法對梯形芯層波紋夾層結構的沖擊及面壓縮性能進行了研究，獲得了梯形波紋夾層結構的抗沖擊特性和面內壓縮特性．文獻[5-6]中針對梯形芯層波紋夾層結構在沖擊載荷作用下的吸能特性開展了較為系統的試驗和數值模擬分析,探討了沖頭形狀以及沖擊能量對波紋夾層結構低速沖擊特性的影響;文獻[7]中研究了復合材料梯形芯層波紋夾層板在面壓力作用下的極限強度,并針對幾何尺寸、鋪層等參數進行了多目標優(yōu)化分析;文獻[8]中運用有限元和試驗方法研究了矩形芯層波紋夾層板在沖擊與面載荷作用下的力學性能;文獻[9]中運用簡化解析方法和有限元方法研究了圓弧組合型芯層波紋夾層板的彎曲極限強度；文獻[10]中采用實驗和數值模擬方法對復合材料點陣結構的低速沖擊特性開展了研究；文獻[11]中對X、Y、V形3種夾芯艙壁結構的抗侵徹性能進行了研究,得到了最優(yōu)夾芯結構型式．文中首先對復合材料面板鋁合金波紋夾層結構在低速沖擊下的響應特性進行實驗研究和數值模擬,然后在芯層重量一致的前提下,設計了幾種幾何構型不同芯層的波紋夾層結構,并對其沖擊特性進行了數值模擬．結果表明:在低能沖擊情況下,芯層的剛度越大,結構的吸能越多,結構的局部損傷也較嚴重．而較弱的芯層剛度因彈性較大,減小了結構對動能的吸收,降低了沖擊位置附近的損傷．在高能沖擊情況下,芯層被穿透,波紋夾層結構的損傷區(qū)域主要位于沖擊位置附近,因而芯層幾何構型對波紋夾層結構的高能沖擊特性影響較小．

1 試驗研究及仿真模擬

1.1 模型試件

波紋夾層結構試件由碳纖維面板和鋁合金波紋芯層組成．試件尺寸為96 mm×96 mm×14.85 mm(長×寬×高)．碳纖維面板為T700/3234預浸料制成(單層厚度為0.125 mm),鋪層順序為[0/90°/0/90°],面板厚度為1 mm．波紋芯層由2A12-T4鋁合金板材制成,每種試樣的芯層均包含3個單胞,芯層的高度為12.85 mm;芯層重量為17.6 g．所制備的試件如圖1．

圖1 梯形波紋的形狀和制備的波紋夾層結構試件

1.2 實驗裝置

沖擊試驗在落錘試驗機上進行,試驗機可通過調節(jié)落錘高度調節(jié)沖擊能量,落錘沖擊機見圖2．沖頭安裝在落錘下方,沖頭由淬火鋼材制成,可近似為剛體．試驗機上設置上下夾具以約束波紋夾層結構,夾具尺寸、約束力與有限元模型中的設置保持一致．測試數據主要包括沖擊力—時間曲線、吸收能量—時間曲線、位移—時間曲線等,由專用的數據采集系統完成采集．

圖2 落錘沖擊試驗機

1.3 數值計算方法

采用ABAQUS有限元程序進行數值計算．建立有限元計算模型(圖3),幾何模型包括沖頭、上夾具、下夾具、波紋夾層結構試樣．沖頭前端為一個直徑為12 mm的半球,后端為一個直徑為12 mm、軸向長度為18 mm的圓柱．為提高計算效率,芯層和面板的粘接通過“Tie”約束綁定,綁定區(qū)域不發(fā)生相對運動和變形[10]．

在計算中,將鋁合金芯層材料定義為彈塑性材料,其損傷演化由ABAQUS軟件自帶的Ductile Damage定義,不考慮其應變率效應的影響．鋁合金的密度為2 700 kg/m3,楊氏模量為70 GPa,泊松比為0.3,屈服極限為460 MPa,塑性應力τ-應變ε見圖4;碳纖維單層預浸料的基本力學性能見表1．

圖3 梯形芯層夾層結構的有限元計算模型

圖4 鋁合金板材2A12-T4的應力-應變曲線

基于Hashin準則,依據纖維增強的樹脂基材料常用的失效模式引入相應的損傷變量,建立損傷剛度矩陣,采用剛度退化的方法表征層合板的損傷演化歷程[5,10]．基于Fortran語言,編制用于定義復合材料破壞準則的VUMAT用戶子程序,在計算時由ABAQUS程序自動調用．

表1 T700/3234碳纖維預浸料的基本力學性能

注：E11、E22、E23分別為縱向、橫向、面外彈性模量；v12、v13、v23為泊松系數；G12、G13、G23分別為1-2、1-3、2-3方向的剪切模量；Xt、Xc、Yt、Yc、Zt分別為縱向拉伸、縱向壓縮、橫向拉伸、橫向壓縮、面外拉伸強度；s12、s23、s13為剪切強度；ρ為密度.

為與試驗的邊界條件保持一致,在波紋夾層結構的上下兩端分別設置一個中間開有直徑75 mm圓孔的上下夾具,并在上夾具表面施加0.02 MPa的預緊力．沖頭的質量為13.26 kg,與沖擊試驗機沖頭保持一致．計算中通過定義沖頭的初速度定義沖擊能量,在驗證算例中沖擊能量為20 J,沖擊初速度為1.74 m/s．

1.4 結果及對比分析

圖5為沖擊力F、沖頭速度v及能量E的數值模擬結果與試驗結果的曲線比較．圖6為仿真分析及試驗結果照片．圖5的曲線結果表明，計算結果與試驗結果吻合較好,沖擊載荷峰值較為接近,能量變化趨勢基本保持一致．結合圖6的仿真過程圖可以看出整個沖擊過程可分為5個階段:

(1) 沖擊開始,芯層鋁材與面板共同承受載荷,直至芯層腹板屈曲、沖擊力F達到第一個峰值,見圖6(a);

(2) 芯層發(fā)生屈曲,承載能力迅速下降,此時主要由碳纖維面板及芯層的面板承力,沖擊力在略微下降之后繼續(xù)上升直至最大值(第二個峰值);

(3) 芯層鋁板與碳纖維面板相繼斷裂,見圖6(b),裂紋持續(xù)擴展,沖擊力達到峰值后急劇降低;

(4) 碳纖維面板及鋁合金芯層完全撕裂,沖頭繼續(xù)向下運動,面板變形吸能,沖擊力呈現一個較長的“平臺期”,直至沖頭速度v為零(沖頭停止,動能完全轉化為內能E,內能達到峰值),結構達到最大變形,見圖6(c);

圖5 20J沖擊能量的結果對比

圖6 同時刻有限元仿真模擬結果

(5) 沖頭開始反彈,同時沖擊力減小,系統內能呈現下降趨勢,直至沖頭與夾層結構完全脫開,沖擊力下降為0,內能趨于穩(wěn)定,沖擊過程結束,見圖6(d)．

2 沖擊特性分析

2.1 不同幾何構型芯層的波紋夾層結構設計

通過改變芯層板厚以維持芯層的重量不變,設計如圖7所示的三角形、余弦形、圓弧組合形、梯形和矩形芯層波紋夾層結構,芯層厚度分別為0.55、0.54、0.51、0.5、0.39 mm．

圖7 芯層不同幾何構型的波紋夾層結構示意

2.2 仿真模擬結果及分析

對5種不同芯層形狀的波紋夾層結構進行沖擊模擬,沖擊能量為20 J,沖擊速度為1.74 m/s．圖8、9分別為沖擊力F—時間t曲線及內能E—時間t曲線,5種不同形狀芯層的破壞模式見圖10～14．從圖8、9給出的沖擊力—時間曲線，結合芯層的破壞模式圖片可以看出:

(1) 在沖擊起始階段,芯層鋁材與面板共同承受載荷．余弦形芯層與圓弧組合形芯層因剛度較小,整體變形較為明顯,因而并未出現腹板屈曲和沖擊力降低現象;而其余3種形狀芯層的夾層結構的腹板均存在明顯的屈曲現象,其中三角形芯層因其跨距大最先屈曲,矩形芯層則最后發(fā)生屈曲,且其第一個峰值載荷也是5種芯層中最大的．

(2) 隨著沖擊的繼續(xù),面板裂紋形成并擴展,5種芯層的波紋夾層結構的沖擊力均下降,其中矩形芯層與梯形芯層的下降幅度較大,其余3種下降幅度較小．結合圖10～14中可看出：由于矩形芯層和梯形芯層擁有較大的垂向剛度,沖擊區(qū)域兩側的芯層單胞成為面板的強邊界,使得面板的變形與吸能主要分布在兩個單胞之間,面板裂紋擴展后沖擊力維持在較低的“平臺期”;余弦形芯層與圓弧組合形芯層垂向剛度較小,受垂向力作用時發(fā)生彎曲變形,因此面板的彈性變形吸能區(qū)域較大,面板裂紋擴展后沖擊力的“平臺期”高于矩形芯層和梯形芯層;而三角形芯層雖具有較大的垂向剛度,但相鄰兩側的單胞間距較大,其面板的變形區(qū)域也比矩形和梯形芯層大,沖擊力的平臺期也相應地大于二者．芯層單胞的剛度差異及單胞跨距差異的共同作用,造成了面板撕裂后“平臺區(qū)”沖擊力的差異．

圖8 不同幾何構型的波紋夾層 結構沖擊力-時間歷程曲線

圖9 不同幾何構型的波紋夾層結構能量-時間歷程曲線

圖10 余弦形芯層破壞模式

(3) 沖擊過程結束后,余弦形、圓弧組合形芯層的彈性變形區(qū)域較大,因而位于中間的芯層單胞未發(fā)生明顯的斷裂;其余3種芯層則產生較嚴重的斷裂．但是,因余弦形、圓弧組合形和三角形芯層與面板間的粘接區(qū)域較小,從而使得其面板回彈后會造成芯層的撕裂．

綜上所述,在同樣的沖擊能量下,余弦形與圓弧組合形芯層結構的面板因彈性變形區(qū)域較大,從而使得沖擊部位損傷較小,結構的最終吸能較?。匦?、梯形和三角形芯層的剛度較大,因而沖擊力較大,但由于限制了面板參與彈性變形的區(qū)域,從而使得在沖擊部位損傷區(qū)域較大,結構最終的吸能較大．

圖11 圓弧組合形芯層破壞模式

圖12 矩形芯層破壞模式

圖13 梯形芯層沖擊破壞模式

圖14 三角形芯層沖擊破壞模式

2.3 仿真模擬結果及分析

當沖擊能量為50 J時,沖擊速度為2.75 m/s,圖15為沖擊力-時間曲線及內能-時間曲線．圖16為5種形狀芯層的夾層結構的最終破壞仿真結果．

從圖15可以看出：當5種形狀芯層的夾層結構遭受50 J能量沖擊時,上下面板均被穿透,沖擊力—時間曲線和能量—時間曲線基本一致,2個較大的峰值分別對應上下面板被擊穿的過程．與20 J低能沖擊不同,在50 J能量的沖擊下,5種波紋夾層結構均被穿透．破壞模式主要是面板斷裂、芯層屈曲、芯層斷裂等,損傷區(qū)域位于沖擊位置附近,芯層的幾何形狀對能量吸收特性并無顯著影響．

圖15 沖擊能量為50 J時不同幾何構型的波紋夾層結構

圖16 5種芯層的結構在50 J沖擊能量下的最終變形

3 結論

(1) 基于VUMAT用戶子程序的數值計算結果與試驗結果吻合較好,該計算方法能有效地預測波紋夾層結構的低速沖擊響應特性．

(2) 不同芯層幾何構型的復合材料波紋夾層結構的剛度差異較為明顯,在不同沖擊能量下,其動力響應特性和吸能特性有較大的差別：① 低能沖擊下,對于余弦形和圓弧組合形芯層的波紋夾層結構,因剛度較弱,其整體彈性變形較為明顯,從而使得結構損傷范圍小,最終的吸能也較小;而對于三角形、梯形和矩形芯層的波紋夾層結構,其剛度較大,彈性變形不明顯,從而使得其局部損傷較大,最終吸能較大；② 高能沖擊下,由于沖擊速度較快,剛度對結構動力響應特性和吸能特性的影響很小,從而使得5種不同幾何構型芯層的波紋夾層結構動力響應特性和吸能特性基本相同．

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