基于落錘裝置的蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性

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蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)、成型性能和成本優(yōu)勢，近年來在航空航天、船舶、交通運(yùn)輸、機(jī)械等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1-4]。蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)由上、下各層面板以及中間的蜂窩夾芯組成，中空的結(jié)構(gòu)方式使其在空間占用方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)除了具有比剛度大、 比強(qiáng)度大以及耐壓強(qiáng)的特點(diǎn)外， 還具有穩(wěn)定的減震、 保溫和良好的隔音、 阻燃性能。 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的芯子主要是紙、 金屬、 高分子材料等， 在實(shí)際應(yīng)用過程中， 一般承受多為沖擊載荷的面外壓力， 因此關(guān)于其動(dòng)力學(xué)特性的研究尤為重要[5-15]。 鑒于此， 本文中利用落錘實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)合有限元仿真對蜂窩鋁材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性，每種試樣均準(zhǔn)備3個(gè)。實(shí)驗(yàn)中使用的蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)所用材料為3003型鋁合金，整體外觀尺寸為60 mm×60 mm×20 mm(長度×寬度×高度)，其中蜂窩芯子高度為18.4 mm，上、下面板厚度均為0.8 mm，蜂窩胞元級別的規(guī)格為0.03 mm×2 mm(壁厚×邊長)。

由表4可知，在相同負(fù)荷量和架空線型號的情況下，第④種配網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ图础柏?fù)荷全部集中于10 kV中壓線路的末端”時(shí)最大允許供電半徑最小，即在該種情形下線路輸送電能的能力最弱，認(rèn)為是“木桶效應(yīng)”中的“短板”，該短板將直接決定線路末端電壓質(zhì)量是否合格。因此，參考第④種配網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ拖碌淖畲笤试S供電半徑進(jìn)行中壓架空線路的選型將不會(huì)出現(xiàn)中壓線路末端低電壓問題，這里將該供電半徑定義為“合理供電半徑”，不同線徑及負(fù)荷下的合理供電半徑具體情況如表5所示。

首先將蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)放置在底座的剛性平臺(tái)上，然后安裝導(dǎo)管。將落錘的后端設(shè)計(jì)成圓柱體的原因是圓形尾部平面可以直接連接在固定端的電磁鐵上。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)關(guān)閉電磁鐵，落錘失去引力，脫離電磁鐵，自由下落進(jìn)入導(dǎo)管，沿著導(dǎo)管砸向試件上表面。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，上、下調(diào)節(jié)固定端的高度，以此來控制落錘下落的速度。由于實(shí)驗(yàn)裝置本身高度有限，因此落錘下落時(shí)所含勢能勢必受到限制。在此僅選擇5、 10、 15 m/s這3種沖擊速度，其他情況將在有限元仿真中進(jìn)行討論。當(dāng)落錘的沖擊速度分別為5、 10、 15 m/s時(shí)，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的凹痕深度分別為0.728、 1.263、 2.040 mm，凹陷面積如圖1所示。由圖可知，在受到落錘作用后，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的中心有不同程度的凹陷，且隨著沖擊速度的增大，凹陷逐漸加深，凹陷面積也逐漸加大。

(a) 沖擊速度為5 m/s(b) 沖擊速度為10 m/s(c) 沖擊速度為15 m/s圖1 蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的落錘沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2　數(shù)值計(jì)算及分析

利用ABAQUS有限元軟件， 建立蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)落錘沖擊實(shí)驗(yàn)仿真模型， 如圖2所示。 有限元模型與實(shí)驗(yàn)實(shí)體模型尺寸比例為1∶1， 其中蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)采用三維可變形殼單元， 落錘采用三維可變形實(shí)體單元， 落錘和蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的接觸采用面-面接觸方式， 接觸對為蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的上面板和落錘前端弧面。 對試件的面板施加相應(yīng)的約束， 約束落錘剛體化并在預(yù)定義場中添加初速度。

2.1　仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

在仿真結(jié)果中，當(dāng)落錘的沖擊速度分別為5、 10、15 m/s時(shí)，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)面板的凹痕深度如表1所示。由表可知，數(shù)值計(jì)算的凹痕深度比實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果稍小， 原因是在建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí)對沖擊試驗(yàn)仿真模型進(jìn)行了簡化， 并且沒有充分考慮蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子以及芯子與面板連接處的缺陷，較為理想化；但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中很難避免此類缺陷，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果略大于數(shù)值計(jì)算結(jié)果。3種速度時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)面板凹痕深度的誤差均小于10%，可以認(rèn)為數(shù)值計(jì)算方法是正確的。

(a)幾何模型(b)網(wǎng)格劃分模型圖2 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的落錘沖擊實(shí)驗(yàn)仿真模型

表1　蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)落錘沖擊實(shí)驗(yàn)的有限元計(jì)算結(jié)果

2.2　分析與討論

在落錘沖擊實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)落錘速度分別為5、 20、 50 m/s時(shí)，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)試件面板及其芯子各部位的應(yīng)力分布如圖3所示。由圖可知，當(dāng)落錘與面板接觸后，面板中心處的應(yīng)力開始集中，隨著落錘凹痕深度的增大及其與面板接觸面積的增大，應(yīng)力以同心圓形向外層狀發(fā)散，并且始終保持中心應(yīng)力最大。當(dāng)落錘凹痕深度達(dá)到最大時(shí)，面板的應(yīng)力峰值及其擴(kuò)散面積也達(dá)到最大，然后隨著錘頭的反彈，落錘錘頭與面板脫離接觸，應(yīng)力幅值開始減小，應(yīng)力擴(kuò)散面積也相應(yīng)減小，并且中心點(diǎn)不再是應(yīng)力最大點(diǎn)。落錘沖擊速度越大，在最大凹痕深度處的應(yīng)力峰值和應(yīng)力波輻射范圍也越大。在落錘發(fā)生反彈而與面板脫離接觸后，面板上的殘余應(yīng)力影響面積及幅值也越大。當(dāng)應(yīng)力的輻射范圍足夠大，直至與面板邊緣相交時(shí)，應(yīng)力不再以同心圓形狀傳播，開始異形發(fā)散。

(a)與落錘接觸,沖擊速度為5 m/s(b)位移最大,沖擊速度為5 m/s(c)落錘離開后,沖擊速度為5 m/s(d)與落錘接觸,沖擊速度為20 m/s(e)位移最大,沖擊速度為20 m/s(f)落錘離開后,沖擊速度為20 m/s(g)與落錘接觸,沖擊速度為50 m/s(h)位移最大,沖擊速度為50 m/s(i)落錘離開后,沖擊速度為50 m/s圖3 不同沖擊速度時(shí)蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)試件面板的應(yīng)力分布

圖4所示為蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子在落錘沖擊速度分別為5、 20、 50 m/s時(shí)各階段的應(yīng)力分布。 由圖可知， 在受到落錘沖擊后， 隨著蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)面板發(fā)生變形， 與面板相連的蜂窩芯子也開始發(fā)生失穩(wěn)， 在落錘下落位移最大時(shí)芯子變形量也達(dá)到最大， 并且應(yīng)力峰值也最大。 應(yīng)力沿著蜂窩芯子平面?zhèn)鞑ィ?即圖4中各圖的左圖所示， 而在垂直方向， 即圖4中各圖的右圖所示， 在落錘剛與面板接觸時(shí)， 受到面板的擠壓， 蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子發(fā)生變形， 開始出現(xiàn)應(yīng)力， 并且不斷向外擴(kuò)張； 當(dāng)落錘凹痕深度達(dá)到最大時(shí)， 應(yīng)力傳播范圍達(dá)到最大， 并且應(yīng)力峰值和在落錘開始發(fā)生反彈并與面板脫離接觸后， 由于面板也會(huì)有所回彈， 因此芯子受到的壓力減小， 應(yīng)力峰值相應(yīng)減小， 并且輻射范圍也開始減小， 此時(shí)的應(yīng)力峰值已經(jīng)不再出現(xiàn)在中心地帶。 落錘沖擊速度越大， 蜂窩鋁芯子在最大凹痕深度處的應(yīng)力峰值和輻射范圍也越大， 在落錘發(fā)生反彈與面板脫離接觸后， 芯子中的殘余應(yīng)力影響面積及幅值也越大。

(a)沖擊速度為5 m/s

(b)沖擊速度為20 m/s

(c)沖擊速度為50 m/s 圖4　不同沖擊速度時(shí)芯子在結(jié)構(gòu)凹痕位移最大時(shí)和落錘離開后的應(yīng)力分布

圖5所示為不同沖擊速度時(shí)蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的落錘沖擊凹痕深度和接觸力。 由圖5(a)可知， 隨著沖擊速度的增大， 蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的凹痕深度也越大， 且呈線性增長。 由圖5(b)可知， 蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)試件在受落錘沖擊作用時(shí)的接觸力變化過程可以分為3個(gè)階段： 第1個(gè)階段大致為整個(gè)作用時(shí)間段的前1/3， 此時(shí)落錘與試件面板建立接觸， 并且蜂窩芯子處于彈性階段， 因此接觸力迅速增大； 第2個(gè)階段大致為整個(gè)作用時(shí)間段的1/3～2/3， 此時(shí)落錘已經(jīng)與面板建立了穩(wěn)定的接觸關(guān)系， 并且此時(shí)蜂窩芯子的變形開始進(jìn)入塑性階段，落錘受到的接觸力增大幅度減小，接觸力曲線較平緩；第3個(gè)階段為整個(gè)作用時(shí)間段的后1/3，此時(shí)接觸力開始急劇減小，原因是落錘開始反向運(yùn)動(dòng)，蜂窩芯子也開始緩慢恢復(fù)，但是因產(chǎn)生了塑性變形而恢復(fù)并不完全。

(a)凹痕深度(b)接觸力圖5 不同沖擊速度v時(shí)蜂窩鋁結(jié)構(gòu)的落錘沖擊凹痕深度和接觸力

圖6所示為落錘沖擊速度為10 m/s時(shí)蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能與時(shí)間的關(guān)系。由圖可知，該關(guān)系曲線分為3個(gè)階段：第1個(gè)階段為上升階段，試件應(yīng)變能不斷增大，此階段又可以細(xì)分為2個(gè)階段，即芯子和面板均在彈性階段，這時(shí)應(yīng)變能也呈線性增長，當(dāng)塑性變形發(fā)生時(shí)，應(yīng)變能的增長不再呈線性變化(即圖5(a)中達(dá)到峰值前的階段)；第2個(gè)階段為下降階段，此時(shí)落錘開始反彈，蜂窩面板與芯子雖然發(fā)生了塑性變形，但是仍然有所反彈；第3個(gè)階段為平臺(tái)階段，此時(shí)落錘與面板脫離，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)也回到穩(wěn)定狀態(tài)。能量峰值為沖擊總能量，平臺(tái)階段的能量值為蜂窩鋁結(jié)構(gòu)在落錘沖擊過程中所吸收的能量，下降階段的能量差值就是落錘反彈時(shí)的剩余能量。

圖6　沖擊速度為10 m/s時(shí)蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能與時(shí)間的關(guān)系

圖7所示為不同沖擊速度時(shí)蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)吸收的能量與時(shí)間的關(guān)系。由圖可知， 吸收能量隨著速度的增大而增大，而吸收能量的幅值同時(shí)取決于勢能的轉(zhuǎn)化。

圖7　不同沖擊速度v時(shí)蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)吸收的能量與時(shí)間的關(guān)系

3　結(jié)論

本文中利用落錘裝置對不同落錘速度造成的蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)面板上的凹痕深度進(jìn)行了測試，建立了有限元模型，對落錘沖擊過程的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

1)在落錘與試件接觸時(shí)，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)面板上的應(yīng)力分布呈同心圓狀向外發(fā)散，在圓心處的應(yīng)力最大，當(dāng)落錘開始反彈并與面板脫離時(shí)，應(yīng)力幅值減小，但是影響面積只是小幅減小，且此時(shí)的應(yīng)力最大點(diǎn)不在圓心處，而在圍繞圓心附近的一個(gè)同心圓處。蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子的應(yīng)力呈異形向外發(fā)散，并在脫離接觸后逐漸收縮。落錘沖擊速度越大，面板和蜂窩芯子在最大凹痕深度處的應(yīng)力峰值也越大，應(yīng)力波輻射范圍也越大。

2)在落錘下落過程中，接觸力隨時(shí)間的變化過程基本可以分為3個(gè)階段：急速上升階段，此時(shí)蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)芯子的變形尚在彈性階段；載荷穩(wěn)定階段，此時(shí)蜂窩芯子面板開始發(fā)生塑性變形；載荷下降階段，此時(shí)落錘開始發(fā)生回彈直至脫離接觸。在落錘下落過程中，蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)吸收的能量隨著落錘沖擊速度的增大而相應(yīng)增大，而吸收能量的幅值同時(shí)取決于勢能的轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn):