沖擊載荷下仿貝殼珍珠層Voronoi結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)

武曉東，張海廣，王 瑜，孟祥生

（1. 中國輻射防護(hù)研究院核應(yīng)急與核安全研究所，山西 太原 030009；2. 太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024）

仿貝殼珍珠層復(fù)合材料作為新型復(fù)合材料，有著優(yōu)異的力學(xué)性能，不僅具有很高的強(qiáng)度，而且具有很好的韌性，近年來引起了學(xué)術(shù)界的不斷關(guān)注[1-6]。很多發(fā)達(dá)國家非常重視貝殼結(jié)構(gòu)材料和仿生材料研究，如美國等國家設(shè)置了專門的經(jīng)費(fèi)來研究貝殼生物材料的仿生設(shè)計(jì)和性能，用于裝甲防彈衣和防爆裝置。貝殼珍珠層復(fù)合材料的優(yōu)異力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系，為此研究人員對(duì)珍珠質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特征（體積分?jǐn)?shù)、片劑長(zhǎng)寬比、重疊長(zhǎng)度等）進(jìn)行了深入分析，試圖將其與模型的力學(xué)性能聯(lián)系起來[7-12]。Dutta 等[13]研究了珍珠層中裂紋的萌生規(guī)律，評(píng)估了重疊長(zhǎng)度對(duì)裂紋尖端驅(qū)動(dòng)力的影響。Kotha 等[14]的研究顯示，低縱橫比的文石片可以制造出具有高韌性的復(fù)合材料。Barthelat 等[15]發(fā)現(xiàn)，珍珠層沒有實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的裂紋擴(kuò)展，并將其歸因于片層拔出增韌機(jī)制。其他學(xué)者也發(fā)現(xiàn)珍珠層內(nèi)部和外部韌化機(jī)制阻止了裂紋的擴(kuò)展[16-21]。

Barthelat 等[15]通過觀察發(fā)現(xiàn)，在每層貝殼珍珠層中，平板的排列與Voronoi 圖相似，從一個(gè)紅色鮑魚標(biāo)本的光學(xué)圖像中可以看到每個(gè)貝殼層壓板都有礦物片的隨機(jī)分布，并與其他珍珠層成鍵?；谶@些光學(xué)圖像，他們生成了一個(gè)由兩層貝殼的平板結(jié)構(gòu)組成的幾何模型，用于有限元分析。自1907 年Shamos 和Hoey 提出分治算法的最初定義和描述之后，Voronoi 圖便成為眾多學(xué)科的中心主題之一。Voronoi 圖所具有的自然描述性和操縱能力，使其獲得了廣泛應(yīng)用[22-24]。盡管Voronoi 圖對(duì)科學(xué)和工程中的各種應(yīng)用具有重大的潛在影響，但是在很多領(lǐng)域包括仿生結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，Voronoi 結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能的影響還未得到透徹的理解，為此本工作將探討Voronoi 結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性對(duì)仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

為了研究仿貝殼珍珠層Voronoi 隨機(jī)模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，首先建立一種鋁/乙烯基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的三維Voronoi 模型，然后對(duì)模型在彈丸沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行有限元模擬分析，最后討論黏結(jié)層厚度和Voronoi 模型分塊尺寸對(duì)模型抗沖擊力學(xué)性能的影響。

1 Voronoi 隨機(jī)模型生成

利用文獻(xiàn)[25]給出的隨機(jī)Voronoi 技術(shù)生成Voronoi 隨機(jī)模型。圖1 描述了仿貝殼珍珠層隨機(jī)Voronoi 結(jié)構(gòu)的生成技術(shù)。圖1（a）顯示了由網(wǎng)格組成的Voronoi 初始構(gòu)型，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)都包含1 個(gè)站點(diǎn)；站點(diǎn)可以在圓內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)，如圖1（b）所示，站點(diǎn)位置 (x,y)由極坐標(biāo)控制方程決定

式中： (x0,y0) 為網(wǎng)格內(nèi)站點(diǎn)的參考位置；r為 (0,R)之 間的隨機(jī)值，R為 圓的半徑； θ 為 (0,2π)之間的隨機(jī)值。通過站點(diǎn)的隨機(jī)移動(dòng)，最終形成新的隨機(jī)Voronoi 圖，如圖1(c)所示。新生成的Voronoi 圖由一個(gè)無限大的區(qū)域組成，采用矩形切割使新生成的Voronoi 圖限定在有限區(qū)域內(nèi)，丟棄有限區(qū)域外的站點(diǎn)和多邊形網(wǎng)格，最終形成仿貝殼珍珠層隨機(jī)Voronoi 模型。

圖1 (a) Voronoi 圖的初始網(wǎng)格構(gòu)型；（b）每個(gè)站點(diǎn)都在一個(gè)圓圈區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)；（c）新的Voronoi 圖是從新的站點(diǎn)系統(tǒng)中生成，通過矩形裁剪，形成有限區(qū)域的隨機(jī)Voronoi 圖[25]Fig. 1 (a) Initial grid formation of Voronoi diagram; (b) each site moves randomly within a circle region; (c) a new Voronoi diagram is generated from the new site system, and by a rectangle cut, a finite Voronoi diagram is generated[25]

2 Voronoi 模型有限元分析

2.1 幾何建模

圖2 給出了規(guī)則片板單元模型以及4 種不同分塊尺寸的不規(guī)則Voronoi 片板模型，5 種模型的總體幾何尺寸相同，均為240 mm × 240 mm × 15 mm，模型總層數(shù)均為5 層。圖2(a)為規(guī)則片板模型，每個(gè)規(guī)則片板的幾何尺寸為30 mm × 30 mm × 3 mm，每層由8 × 8 共64 個(gè)片板組成，圖2(b)～圖2(e)分別給出了7 × 7、8 × 8、9 × 9 和10 × 10 分塊的Voronoi 不規(guī)則模型，每種模型均包括5 層不同的隨機(jī)單層結(jié)構(gòu)，每層厚度為3 mm。

為了模擬仿貝殼珍珠層片層之間受沖擊破壞時(shí)的脫黏現(xiàn)象，采用了內(nèi)聚力Cohesive 模型。通過合理的參數(shù)選擇，內(nèi)聚力Cohesive 模型能夠部分描述貝殼珍珠層內(nèi)部層與層之間的變形和失效現(xiàn)象[2]。在片板之間以及板層之間插入Cohesive 黏結(jié)層，考慮3 種黏結(jié)層厚度0.1、0.2 和0.3 mm，討論黏結(jié)層厚度對(duì)模型沖擊損傷的影響。

內(nèi)聚力Cohesive 模型的牽引分離定律涉及黏性牽引應(yīng)力矢量T={tn,ts,tt}，其中下標(biāo)n、s 和t 分別表示一個(gè)法向和兩個(gè)切向分量。這些變量之間滿足雙線性二次黏聚律[25]

圖2 規(guī)則8 × 8 模型和隨機(jī)Voronoi 模型的示意圖Fig. 2 Schematic of regular 8 × 8 model and random Voronoi models

2.2 材料參數(shù)

仿貝殼珍珠層三維Voronoi 結(jié)構(gòu)模型包括兩種材料模型，其中片層采用鋁AA5083-H116，片層之間Cohesive 黏性層使用乙烯樹脂材料。表1 和表2 列出了兩種材料參數(shù)[19,25]，其中 ρ 為密度， ν為泊松比，E為彈性模量，Es和Et為兩個(gè)切向彈性模量。

表1 鋁片的材料參數(shù)Table 1 Parameters of aluminum plate

表2 Cohesive 模型的材料參數(shù)Table 2 Parameters of Cohesive model

在大應(yīng)變情況下，鋁合金的本構(gòu)關(guān)系可采用Johnson-Cook 模型描述

表3 Johnson-Cook 模型參數(shù)[25]Table 3 Parameters of Johnson-Cook model[25]

2.3 加載條件與邊界條件

圖3 模型邊界條件和加載條件Fig. 3 Boundary condition and loading of the model

圖3 顯示了模型的邊界條件和加載條件。彈丸以18 m/s 的初速度沖擊Voronoi 模型，彈丸速度屬于中低速范圍。彈丸模型上半部分是一個(gè)半徑15 mm、長(zhǎng)45 mm 的圓柱體，下半部分是一個(gè)半徑為15 mm 的半球體，總長(zhǎng)為60 mm，剛體屬性。沖擊載荷下仿貝殼珍珠層三維Voronoi 模型的邊界條件為4 個(gè)側(cè)邊均完全固定，彈丸與復(fù)合結(jié)構(gòu)模型的接觸為通用接觸，彈丸作用在復(fù)合結(jié)構(gòu)模型中心。

黏結(jié)層網(wǎng)格類型采用COH3D8，鋁片網(wǎng)格類型采用C3D8R，黏結(jié)層網(wǎng)格大小為1 mm，鋁片網(wǎng)格大小為2 mm。在該網(wǎng)格密度下，模型的網(wǎng)格單元總數(shù)達(dá)到167 230。節(jié)點(diǎn)總數(shù)為567 001 時(shí)，最大應(yīng)力值保持穩(wěn)定，網(wǎng)格的收斂性較好。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 有限元分析

在珍珠層結(jié)構(gòu)中，片板滑動(dòng)機(jī)制被認(rèn)為是激活內(nèi)在和外在韌化機(jī)制的關(guān)鍵因素，可以阻止裂紋擴(kuò)展。該機(jī)制分別引起內(nèi)聚力和殘余塑性應(yīng)變，從而閉合裂紋。由于彈丸沖擊載荷方向垂直于Voronoi板模型，沖擊載荷破壞的主要形式是黏性層剝離，因此片板滑動(dòng)引起的增韌機(jī)制在這種特定的沖擊加載問題中不占主導(dǎo)地位。在沖擊載荷下，損傷和變形耗散的能量比摩擦接觸要多得多，Voronoi 模型對(duì)珍珠層結(jié)構(gòu)負(fù)載分配和能量吸收機(jī)制的影響是所要考慮的主要因素。本研究首先分析沖擊載荷下模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上考察不規(guī)則Voronoi 片板等幾何因素對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和能量分配的影響。

圖4 和圖5 分別為不同時(shí)刻規(guī)則片板模型與Voronoi 片板模型受彈丸沖擊時(shí)的應(yīng)力云圖剖視圖。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：在規(guī)則模型中，應(yīng)力主要集中在彈丸沖擊點(diǎn)及附近區(qū)域，遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力很??；在Voronoi 模型中，應(yīng)力分布區(qū)域更大，受力更加均勻。規(guī)則模型受沖擊后很快就被沖破；而Voronoi 模型的沖擊模擬結(jié)果顯示，其最大應(yīng)力載荷小于規(guī)則模型，最終彈丸并未完全貫穿模型。

圖6 和圖7 分別為規(guī)則片板模型和Voronoi片板模型受彈丸沖擊3.00 ms 時(shí)應(yīng)力云圖的俯視圖。從受彈丸沖擊破壞情況來看：規(guī)則模型中脫黏現(xiàn)象主要集中在彈丸沖擊點(diǎn)附近區(qū)域；而Voronoi 模型的沖擊影響區(qū)域更大，基本遍布整個(gè)模型。對(duì)于Voronoi 模型，沖擊區(qū)域發(fā)生變形時(shí)，其余片板受擠壓后也發(fā)生了脫黏現(xiàn)象，吸收更多的沖擊能量，從而有利于沖擊能量的擴(kuò)散與吸收，使模型的更多部分承擔(dān)沖擊負(fù)載，即增加承載區(qū)域，減小應(yīng)力集中，更好地發(fā)揮能量共享機(jī)制。因此Voronoi 片板模型抵抗沖擊荷載的能力明顯優(yōu)于規(guī)則片板模型。

圖4 不同時(shí)刻規(guī)則片板模型的von Mises 應(yīng)力云圖剖視圖Fig. 4 Cutaway views of von Mises stress contours of regular plate model at different times

圖5 不同時(shí)刻Voronoi 片板模型的von Mises 應(yīng)力云圖剖視圖Fig. 5 Cutaway views of von Mises stress contours of Voronoi plate model at different times

圖6 3.00 ms 時(shí)規(guī)則片板模型的von Mises 應(yīng)力云圖俯視圖Fig. 6 Top view of von Mises stress contours of regular plate model at 3.00 ms

圖7 3.00 ms 時(shí)Voronoi 片板模型的von Mises 應(yīng)力云圖俯視圖Fig. 7 Top view of von Mises stress contours of Voronoi plate model at 3.00 ms

3.2 黏結(jié)層厚度和分塊尺寸對(duì)沖擊吸能的影響

圖8 和圖9 分別給出了規(guī)則模型和不同分塊Voronoi 模型的損傷耗散能和塑性耗散能對(duì)比。在模型總尺寸相同的情況下，Voronoi 模型的損傷耗散能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)則片板模型，而塑性耗散能則小于規(guī)則片板模型，說明在沖擊載荷作用下Voronoi 模型抵抗沖擊的能力優(yōu)于規(guī)則片板模型。不同分塊Voronoi 模型的損傷耗散能和塑性耗散能差別不大，分塊尺寸對(duì)Voronoi 模型抗沖擊性能的影響很小。

圖10 和圖11 分別給出了不同黏結(jié)層厚度（h）的Voronoi 模型的損傷耗散能和塑性耗散能?？梢钥闯?，黏結(jié)層對(duì)損傷耗散能和塑性耗散能的影響很明顯。黏結(jié)層越薄，模型整體吸能越大，越薄的黏結(jié)層使模型具有更高的抗彎剛度，抗沖擊性能越強(qiáng)。由此可見，Voronoi 模型的不規(guī)則性是仿貝殼珍珠層復(fù)合結(jié)構(gòu)模型抗沖擊性能的影響因素，對(duì)貝殼結(jié)構(gòu)韌性的提升發(fā)揮著重要作用。

圖8 規(guī)則模型和不同分塊尺寸Voronoi 模型的損傷耗能Fig. 8 Damage energy of regular model and Voronoi models with different block sizes

圖9 規(guī)則模型和不同分塊尺寸Voronoi 模型的塑性能Fig. 9 Plastic energy of regular model and Voronoi models with different block sizes

圖10 具有不同黏性層厚度的Voronoi 模型的損傷耗能Fig. 10 Damage energy of Voronoi models with different adhesive thicknesses

圖11 具有不同黏性層厚度的Voronoi 模型的塑性能Fig. 11 Plastic energy of Voronoi model with different adhesive thicknesses

4 結(jié) 論

通過有限元數(shù)值模擬研究了仿貝殼珍珠層Voronoi 模型在彈丸沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，得到如下主要結(jié)論。

（1）從沖擊破壞受損情況來看，不規(guī)則Voronoi 模型的沖擊影響區(qū)域比規(guī)則模型更大，基本遍布整個(gè)模型。對(duì)于Voronoi 模型，當(dāng)沖擊區(qū)域發(fā)生變形時(shí)，其余片板受擠壓后發(fā)生脫黏現(xiàn)象，從而吸收更多的沖擊能量，有利于沖擊能量的擴(kuò)散與吸收，讓模型的更多部分承擔(dān)沖擊負(fù)載，即增加承載區(qū)域，并且減小應(yīng)力集中，更好地發(fā)揮共享機(jī)制。規(guī)則模型的脫黏現(xiàn)象主要集中在彈丸沖擊點(diǎn)及其附近區(qū)域。

（2）在模型總尺寸相同的情況下，Voronoi 片板模型的損傷耗散能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)則片板模型，而塑性耗散能則小于規(guī)則模型。在沖擊載荷作用下，不規(guī)則Voronoi 片板模型抵抗沖擊的能力優(yōu)于規(guī)則片板模型。

（3）分塊尺寸對(duì)Voronoi 模型抗沖擊性能的影響很小，而黏結(jié)層對(duì)損傷耗散能和塑性耗散能的影響很明顯，黏結(jié)層越薄，模型整體吸能越大，抗沖擊性能越強(qiáng)。

鑒于目前制備具有Voronoi 結(jié)構(gòu)的金屬/高分子材料復(fù)合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂幸欢ɡщy，因此未對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隨著3D 打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可采用金屬/高分子材料混合3D 打印技術(shù)制備仿貝殼珍珠層Voronoi 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢脮r(shí)即可對(duì)鋁/乙烯基復(fù)合三維Voronoi 模型的數(shù)值模擬工作進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而開展更深入的研究。