紙蜂窩夾層管的軸向跌落沖擊緩沖吸能特性研究

韋 青 郭彥峰付云崗 吉美娟 韓旭香

（西安理工大學(xué)包裝工程系，陜西西安，710048）

薄壁管狀結(jié)構(gòu)在軸向和斜向載荷作用下能夠通過(guò)彈性和塑性屈曲、折疊變形和材料斷裂等方式來(lái)抵抗外部沖擊載荷并吸收耗散能量，這對(duì)沖擊防護(hù)具有重要意義［1-3］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于對(duì)金屬圓管和方管的研究成果，通過(guò)改變管橫截面形狀、增加管內(nèi)隔板和折疊單元個(gè)數(shù)的方法，豐富了對(duì)新型吸能構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法、壓縮變形模式和能量吸收性能的研究；相應(yīng)成果表明，多邊形管、非凸邊形管、多胞管和夾層管在軸向壓縮載荷作用下具有更好的變形模式和吸能特性。Ali等［4］對(duì)比研究了矩形、正五邊形和十字型金屬（鋁、鋼）管的折疊變形機(jī)制，并建立了分析模型預(yù)測(cè)試樣的平均壓潰力。Yokoya等［5］分析了正多邊形（正四、六、八、十邊形）薄壁鋁管及多胞管；結(jié)果表明，正多邊形管的多胞化方法有利于提高其軸向壓縮性能和能量吸收能力。柳忠彬等［6］模擬分析了異截面同厚度和同截面異厚度薄壁管（鋸齒管、圓形管、矩形管、方管）的軸向沖擊響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，管橫截面形狀對(duì)薄壁管的比吸能有很大的影響。胡俊等［7］分析了方形、圓形、正多邊形（正六、八邊形）薄壁金屬管和多胞管的軸向動(dòng)態(tài)吸能特性，并結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)吸能特性較好的八邊形多胞管進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，顯著提高了其在相同壓縮力峰值下的能量吸收效率。Xiang等［8］研究了正多邊形（正三、四、六、八邊形）管、鋼質(zhì)圓管、多胞方管的軸向壓縮能量吸收能力發(fā)現(xiàn)，管橫截面形狀對(duì)試樣關(guān)鍵性能指標(biāo)有重要影響。Liu等［9］深入研究了鋁質(zhì)圓柱夾層多胞管、非凸截面管和多胞管的軸向壓潰變形模式、吸能特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，提出了薄壁管的多胞化和非凸化方法。同時(shí)，研究者為了提高薄壁管狀結(jié)構(gòu)的耐撞性能，還提出利用夾層管壁取代傳統(tǒng)薄管壁的設(shè)計(jì)方法，如Zhang等［10］、Tang等［11］、Liu等［12］、Deng等［13］和Xiong等［14］分別研究了六棱柱夾層多胞管、圓柱夾層多胞管、星形夾芯多邊形管、瓦楞夾層圓管（或圓柱殼）的軸向壓縮和能量吸收性能；研究結(jié)果均表明，這種新型結(jié)構(gòu)可以通過(guò)內(nèi)外管壁與瓦楞芯層之間的相互作用，增強(qiáng)軸向抗沖擊性能，是改善傳統(tǒng)薄壁管的一種新思路和新方法。此外，利用管壁與蜂窩材料之間的相互作用和協(xié)同吸能的優(yōu)勢(shì)，可提高薄壁管的軸向壓縮強(qiáng)度和吸能特性。Yin等［15］、Liu等［16］和Paz等［17］分別研究了鋁蜂窩、玻璃纖維復(fù)合材料蜂窩填充鋁圓管和多邊形管、碳纖維增強(qiáng)材料方管的軸向耐撞性能，提出了蜂窩材料填充薄壁管狀結(jié)構(gòu)的理論與實(shí)驗(yàn)研究體系。

復(fù)合材料管也是一種非常重要的吸能構(gòu)件，通常采用碳纖維、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管和增加橫向裂紋帶，從而提高管的能量吸收效果，其在軍工和民用防護(hù)領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。馬巖等［18］研究了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料（CFRP）圓-方異形管的準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮破壞模式和能量吸收性能發(fā)現(xiàn)，通過(guò)合理的編織角設(shè)計(jì)，可使復(fù)合材料內(nèi)部更多的纖維發(fā)生斷裂，從而提高纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管件物的能量吸收性能。李善恩等［19］研究了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料（GFRP）圓管、方管在低速?zèng)_擊載荷作用下的抗沖擊性能發(fā)現(xiàn)，GFRP圓管的動(dòng)態(tài)切線模量較方管的大，同壁厚圓管的抗沖擊性能較方管好；隨壁厚的適當(dāng)增加，方管的抗沖擊性能也增加?？到》业龋?0］研究了紙瓦楞夾層管的準(zhǔn)靜態(tài)軸向緩沖吸能特性，分析了管橫截面形狀、管邊長(zhǎng)和管長(zhǎng)度對(duì)紙瓦楞夾層管壓縮失效模式與緩沖吸能特性的影響規(guī)律。

金屬蜂窩結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的比剛度和比強(qiáng)度、抗沖擊性和緩沖防振能力［21-22］，但少有涉及紙蜂窩夾層管及其在軸向跌落沖擊載荷作用下緩沖吸能評(píng)價(jià)的研究。本課題借鑒多邊形管和瓦楞夾層管的設(shè)計(jì)思路，將紙蜂窩夾層作為多邊形管的管壁，通過(guò)軸向靜態(tài)和軸向跌落沖擊動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，研究正多邊形紙蜂窩夾層管的緩沖吸能特性，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)（管方向、橫截面邊數(shù)、管長(zhǎng)比）和加載參數(shù)（壓縮速率、跌落沖擊能量）對(duì)紙蜂窩夾層管緩沖吸能特性的影響規(guī)律。

表1 蜂窩紙板的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of honeycomb paperboard

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與儀器

原料：厚度為10 mm的蜂窩紙板，其基本參數(shù)如表1所示。膠黏劑，漢高粘合劑有限公司上海分公司。

DC2702516型電腦打樣機(jī)，上海信奧科技有限公司；WS150Ш型恒溫恒濕箱，上海樹(shù)立儀器儀表有限公司；HT-2402電腦式伺服材料控制試驗(yàn)機(jī)，臺(tái)灣弘達(dá)儀器股份設(shè)備公司；DY-3緩沖材料沖擊試驗(yàn)機(jī)，西安捷盛電子技術(shù)有限責(zé)任公司。

圖1 紙蜂窩夾層管的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structureof paper honeycomb sandwich tube

1.2 試樣結(jié)構(gòu)

本課題所用試樣的結(jié)構(gòu)類型是紙蜂窩夾層管，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其制作工藝為，對(duì)蜂窩紙板進(jìn)行模切、壓痕，并用白乳膠全搭接粘合制成管截面形狀分別為正四、五、六邊形的管。正六邊形蜂窩胞元的邊長(zhǎng)為5.77 mm，由于蜂窩胞元的排列方式不同，可將紙蜂窩夾層管分為X向管和Y向管。選取不同管橫截面邊長(zhǎng)（35、50 mm）、管長(zhǎng)比（1.4、2.2、3.0）和管長(zhǎng)度（49、77、105、70、110、150 mm）的試樣，對(duì)比分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紙蜂窩夾層管的軸向壓縮變形與能量吸收性能的影響。其中，管長(zhǎng)比是指紙蜂窩夾層管長(zhǎng)度與管橫截面邊長(zhǎng)之比，如管長(zhǎng)比為3.0、管橫截面邊長(zhǎng)50 mm，則管長(zhǎng)度為150 mm。由2種跌落沖擊高度（DH）（30、50 cm）和4種落錘質(zhì)量（W）（7.0、9.125、11.275、14.55 kg）組成8種跌落沖 擊 條 件，即DH1W1、DH1W2、DH1W3、DH1W4、DH2W1、DH2W2、DH2W3和DH2W4，所對(duì)應(yīng)的沖擊能量分別是20.6、26.8、33.1、42.8、34.3、44.7、55.2和71.3 J。試樣編號(hào)為HT nd-l1/l2-DH/W，如“HT6X-50/70-30/11.275”表示，管邊長(zhǎng)（l1）為50 mm、管長(zhǎng)度（l2）為70 mm的X方向（d）正六邊形（n）紙蜂窩夾層管（HT）在跌落高度（DH）為30 cm和落錘質(zhì)量（W）為11.275 kg條件下進(jìn)行軸向跌落沖擊動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。靜態(tài)試樣編號(hào)用壓縮速率V代替跌落沖擊條件DH/W。

1.3 測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)之前，所有試樣在溫度20℃和相對(duì)濕度65%的條件下預(yù)處理24 h。參照GB/T 8168—2008、采用HT-2402電腦式伺服材料控制試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，壓板對(duì)試樣的軸向壓縮速率為12 mm/min，試樣壓縮量為85%。參照GB/T 8167—2008、采用DY-3落錘試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行軸向跌落沖擊動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，方形金屬落錘對(duì)試樣施加軸向跌落沖擊載荷，沖擊動(dòng)能可由跌落高度和落錘質(zhì)量調(diào)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 軸向靜態(tài)和軸向跌落沖擊動(dòng)態(tài)壓縮變形特征

2.1.1 軸向靜態(tài)壓縮變形特征

根據(jù)紙蜂窩夾層管的軸向靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變（σε）曲線和變形特征，將其壓縮變形過(guò)程大致劃分為線彈性區(qū)、塑性平臺(tái)區(qū)、密實(shí)化區(qū)3個(gè)部分（見(jiàn)圖2（a）實(shí)線部分）。由圖2（a）可知，在初始階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大呈線性上升趨勢(shì)，試樣處于線彈性狀態(tài)。隨著壓縮時(shí)間的增加，壓縮載荷逐漸增大，試樣的壓縮變形量也持續(xù)增加。隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力略有下降，隨后曲線進(jìn)入塑性平臺(tái)區(qū)；此時(shí)，試樣應(yīng)變逐漸增大而應(yīng)力呈周期性波動(dòng)，此階段試樣能夠吸收大部分的外部能量。試樣的壓縮變形量繼續(xù)增大直至試樣發(fā)生密實(shí)化，這一過(guò)程的曲線為密實(shí)化區(qū)。試樣的密實(shí)化是指應(yīng)力在很短的應(yīng)變范圍內(nèi)迅速提高，此時(shí)試樣被完全壓潰而喪失緩沖吸能作用。由圖2還可知，在塑性平臺(tái)區(qū)，X向紙蜂窩夾層管（以下簡(jiǎn)稱X向管）的平緩峰和應(yīng)力峰個(gè)數(shù)比Y向紙蜂窩夾層管（以下簡(jiǎn)稱Y向管）的多，屈服強(qiáng)度比Y向管高14.8%，壓潰強(qiáng)度比Y向管低7.0%，X向管在塑性平臺(tái)區(qū)的應(yīng)力和密實(shí)化區(qū)的應(yīng)變變化與Y向管的基本一致。隨著管長(zhǎng)比的增大，試樣靜態(tài)壓縮曲線的應(yīng)力峰個(gè)數(shù)明顯增加，而改變管橫截面邊數(shù)對(duì)管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并無(wú)顯著影響。

紙蜂窩夾層管的軸向靜態(tài)壓縮變形過(guò)程（選取試樣HT4X-50/150-12為例）如圖3所示。由圖3可知，在軸向靜態(tài)壓縮變形過(guò)程中，試樣漸進(jìn)屈曲變形模式明顯。在壓縮初期，試樣頂端部分先出現(xiàn)小段褶皺；隨著外部壓縮載荷的持續(xù)增大，褶皺逐漸擴(kuò)散至試樣中間部分，管壁出現(xiàn)局部的逐層小褶皺；之后試樣底端逐漸發(fā)生屈曲變形直至試樣被完全壓潰。

圖2 紙蜂窩夾層管的軸向靜態(tài)壓縮變形曲線Fig.2 Axial static compression deformation curves of paper honeycomb sandwich tubes

結(jié)合圖2可知，在試樣屈曲變形之前的線彈性區(qū)，試樣應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而迅速達(dá)到初始峰值。從開(kāi)始屈曲到完全壓潰的塑性平臺(tái)區(qū)，試樣所能承受的壓力隨壓縮載荷的增大而達(dá)到最大值，側(cè)壁整體將持續(xù)屈曲變形，伴隨著蜂窩芯層出現(xiàn)剪切褶皺，直到壓潰失效。由于試樣側(cè)壁上的褶皺是逐漸形成的，側(cè)壁的蜂窩胞元沿面內(nèi)的一個(gè)方向出現(xiàn)漸進(jìn)屈曲；因此，試樣的塑性平臺(tái)區(qū)持續(xù)過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)［23］。當(dāng)試樣被完全壓潰時(shí)，其側(cè)壁表面有褶皺堆積，試樣內(nèi)部轉(zhuǎn)向密實(shí)化，且整個(gè)管也變成了側(cè)壁被壓實(shí)和縮短的管結(jié)構(gòu)；因此，其靜態(tài)壓縮應(yīng)力又開(kāi)始急劇增大，這對(duì)應(yīng)于軸向靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的密實(shí)化階段。

圖3 紙蜂窩夾層管的軸向靜態(tài)壓縮變形Fig.3 Axial static compression deformation of paper honeycomb sandwich tube

2.1.2 軸向跌落沖擊動(dòng)態(tài)壓縮變形特征

在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和跌落沖擊能量下，正四、五、六邊形紙蜂窩夾層管的跌落沖擊響應(yīng)波形都是半正弦波形狀。Y向正四、五、六邊形管的沖擊持續(xù)時(shí)間τ比X向管分別提高0.2%～3.2%、0.2%～7.8%和3.8%～8.2%，而X向正四、五、六邊形管的加速度峰值Gm比Y向管分別提高10.9%～30.4%、7.0%～19.8%和6.1%～14.5%，表2為部分試樣的跌落沖擊響應(yīng)結(jié)果。

表2 部分試樣的跌落沖擊響應(yīng)結(jié)果Table 2 Results of drop impact responsesof certain samples

相比于靜態(tài)壓縮過(guò)程，試樣的軸向跌落沖擊動(dòng)態(tài)壓縮（以下簡(jiǎn)稱動(dòng)態(tài)壓縮）過(guò)程的時(shí)間極短，因此，試樣的密實(shí)化程度不高；靜態(tài)壓縮時(shí)的應(yīng)變大于動(dòng)態(tài)壓縮，且靜態(tài)壓縮的應(yīng)力峰個(gè)數(shù)更多（見(jiàn)圖2）。由圖2可知，試樣動(dòng)態(tài)壓縮的屈服強(qiáng)度較靜態(tài)壓縮提高了16.7%～27.3%，其塑性平臺(tái)區(qū)波動(dòng)較大且持續(xù)過(guò)程較短，靜態(tài)壓縮的塑性平臺(tái)區(qū)持續(xù)時(shí)間比動(dòng)態(tài)壓縮提高了14.3%～100%。在試樣的動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程中，蜂窩胞元內(nèi)的空氣會(huì)產(chǎn)生明顯的壓縮作用力，從而引起試樣側(cè)壁應(yīng)力及峰值應(yīng)力的提高。試樣的動(dòng)態(tài)壓縮變形模式也是漸進(jìn)屈曲變形。圖4是管邊長(zhǎng)50 mm的正四、五、六邊形管在跌落沖擊條件DH1W3（跌落沖擊高度30 cm，落錘質(zhì)量11.275 kg）下的壓縮變形情況。結(jié)合圖2中虛線所示，試樣在落錘作用下發(fā)生彈性變形并迅速達(dá)到初始峰值應(yīng)力，隨后試樣開(kāi)始屈服并逐漸出現(xiàn)屈曲和褶皺，隨著側(cè)壁被持續(xù)壓縮，試樣逐步壓潰，最終出現(xiàn)密實(shí)化現(xiàn)象。

圖4 紙蜂窩夾層管的動(dòng)態(tài)壓縮變形情況Fig.4 Axial drop impact compression deformation of paper honeycomb sandwich tubes

由于試樣動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程持續(xù)的時(shí)間很短，對(duì)不同管長(zhǎng)度和沖擊能量的管，其變形也有所不同。圖5為兩種不同正四邊形管的動(dòng)態(tài)壓縮變形示意圖。由圖5（a）可知，由于管的一部分并沒(méi)有被壓縮，故管還有一定的緩沖吸能效果；而圖5（b）中，管被完全壓潰而喪失緩沖能力。

圖5 正四邊形管的動(dòng)態(tài)壓縮變形Fig.5 Axial drop impact compression deformation of regular quadrilateral paper honeycomb sandwich tubes

試樣HT4Y-35/77-50/7和HT4Y-35/77-30/11.275的動(dòng)態(tài)壓縮變形曲線如圖6所示。由圖6可知，動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程完成后，試樣HT4Y-35/77-50/7被完全壓潰，而試樣HT4Y-35/77-30/11.275未被完全壓潰。

圖6 試樣動(dòng)態(tài)壓縮變形曲線比較Fig.6 Comparison of axial drop impact compression deformation curves

總結(jié)分析試樣的變形壓潰發(fā)現(xiàn)，在壓縮變形曲線的密實(shí)化區(qū)，應(yīng)力急劇增大且應(yīng)變超過(guò)83%時(shí)，試樣即可視為被完全壓潰。表3列出了所有被完全壓潰的X向管、Y向管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和跌落沖擊條件。由表3可知，造成管被完全壓潰的因素較多，如管橫截面邊數(shù)、管邊長(zhǎng)、管長(zhǎng)度、沖擊能量等，但相同管長(zhǎng)度的X向管、Y向管被完全壓潰時(shí)的沖擊能量基本相同。對(duì)于具有相同管長(zhǎng)度的正四、五、六邊形管，隨著管橫截面邊數(shù)或管邊長(zhǎng)的增加，導(dǎo)致管橫截面面積增大，從而管被完全壓潰時(shí)所需的跌落沖擊能量也增加。

表3 被完全壓潰試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)和跌落沖擊條件Table 3 Structure parameters and drop impact conditions of paper honeycomb sandwich tubes completely crushed

2.2 軸向緩沖吸能特性

2.2.1 靜態(tài)緩沖吸能特性的影響

選用比吸能（SEA）、行程利用率（SE）、壓縮力效率（CFE）和比總體效率（STE）評(píng)價(jià)試樣的靜態(tài)緩沖吸能特性；其中，比吸能表示單位質(zhì)量試樣所吸收的能量，行程利用率表示試樣密實(shí)化之前的位移變形量（有效壓縮距離）和試樣厚度的比值，壓縮力效率反映平均壓潰載荷與初始峰值載荷的比值，而比總體效率是指單位管長(zhǎng)度的比吸能與初始峰值載荷的比值。

表4是部分試樣在軸向靜態(tài)壓縮條件下的緩沖吸能計(jì)算結(jié)果。對(duì)具有相同管橫截面邊長(zhǎng)的試樣，塑性平臺(tái)區(qū)的應(yīng)變隨著管長(zhǎng)度的增大而增加。由表4可知，隨著管橫截面邊數(shù)的增加，行程利用率呈增大趨勢(shì)（如試樣e的行程利用率比試樣a的提高了3.7%），而比吸能、壓縮力效率和比總體效率都呈下降趨勢(shì)。X向管的屈服應(yīng)力（σb）、平均壓潰應(yīng)力（σy）和比吸能都大于Y向管（如試樣c的屈服應(yīng)力、平均壓潰應(yīng)力和比吸能分別比試樣d的高31.9%、18.9%和7.4%），但Y向管的行程利用率、壓縮力效率和比總體效率都優(yōu)于X向管，如試樣d的行程利用率、壓縮力效率和比總體效率分別比試樣c的高0.2%、17.1%和15.0%。

表4 部分試樣軸向靜態(tài)壓縮緩沖吸能計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation of cushioning energy absorption under axial static compression of paper honeycomb sandwich tubes

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)緩沖吸能特性的影響

2.2.2.1 管方向

管方向?qū)υ嚇觿?dòng)態(tài)壓縮曲線的影響如圖7所示。由圖7可知，相比X向管，Y向管的初始峰值應(yīng)力提高了10.0%～17.6%，如Y向管試樣（曲線c）的初始峰值應(yīng)力比X向管試樣（曲線C）的提高了15.8%；Y向管的塑性平臺(tái)區(qū)應(yīng)變比X向管的提高0.2%～3.4%，如Y向管試樣（曲線c）的塑性平臺(tái)區(qū)應(yīng)變比X向管試樣（曲線C）的提高了0.5%；但初始峰值過(guò)大易導(dǎo)致試樣結(jié)構(gòu)在還沒(méi)發(fā)揮緩沖吸能作用之前而被破壞，因此，需選擇適宜管方向的紙蜂窩夾層管。

圖7 管方向?qū)υ嚇觿?dòng)態(tài)壓縮曲線的影響Fig.7 Comparison of axial drop impact compression curvesat different tubedirections

表5是X向管、Y向管的動(dòng)態(tài)緩沖吸能計(jì)算結(jié)果。由表5可知，正四、五、六邊形X向管的比吸能比Y向管分別提高3.2%～41.5%、3.6%～29.8%和10.4%～27.9%，X向正四、五、六邊形管的比總體效率比Y向管分別提高5.1%～74.1%、7.6%～51.7%和15.8%～57.5%；Y向正四、五、六邊形管的行程利用率比X向管 分 別 提 高8.0%～52.6%、7.6%～52.8%和5.0%～47.8%。造成這種差異的主要原因是，試樣側(cè)壁中正六邊形蜂窩胞元在動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程中受力情況不同。在試樣的動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程中，兩種試樣的側(cè)壁分別沿著蜂窩胞元的X方向和Y方向承受面內(nèi)壓縮加載（見(jiàn)表6）。從表6可以看出，X向管、Y向管的軸向動(dòng)態(tài)壓縮變形模式明顯不同，在相同沖擊條件下，壓縮X向管所需吸收的能量大于Y向管，因此，X向管的緩沖吸能效果優(yōu)于Y向管。蜂窩紙板具有較強(qiáng)的面內(nèi)壓縮抵抗力，動(dòng)態(tài)壓縮變形過(guò)程中，可吸收較多的能量，使得蜂窩胞元發(fā)生漸進(jìn)屈曲而形成周期性的褶皺［24-25］。

表5 不同管方向試樣的動(dòng)態(tài)緩沖吸能計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculations of cushioning energy absorption of samples with different tube directions under axial drop impact compression

表6 紙蜂窩夾層管的變形模式Table 6 Deformation modes of paper honeycomb sandwich tubes

2.2.2.2 管長(zhǎng)比

管長(zhǎng)比對(duì)試樣動(dòng)態(tài)壓縮曲線的影響如圖8所示。由圖8可知，在相同管方向、管橫截面邊長(zhǎng)和跌落沖擊能量的條件下，隨著管長(zhǎng)比的增大，試樣的塑性平臺(tái)區(qū)應(yīng)變呈降低的趨勢(shì)，但其初始峰值應(yīng)力逐漸增大。

圖9為不同管長(zhǎng)比條件下試樣的動(dòng)態(tài)緩沖吸能特性對(duì)比。由圖9可知，隨著管長(zhǎng)比的增大，試樣的比吸能、行程利用率和比總體效率呈降低趨勢(shì)；行程利用率與管長(zhǎng)比的變化關(guān)系最明顯，管長(zhǎng)比越大，軸向壓縮越不充分，有效壓縮距離則越短，故行程利用率越小。隨著管長(zhǎng)比的增大，試樣的壓縮力效率呈先提高后降低的趨勢(shì)。由于管長(zhǎng)比增大，平均壓潰載荷及初始峰值載荷均增大，但各自增大的程度不同，所以，各試樣的壓縮力效率提高幅度也有所不同。相比管長(zhǎng)比1.4和3.0的試樣，管長(zhǎng)比2.2的試樣壓縮力效率更接近于“理想值”100%。相比管長(zhǎng)比為3.0的正四、五、六邊形X向管，管長(zhǎng)比為1.4的對(duì)應(yīng)試樣的比吸能分別提高27.7%～139.9%、47.9%～82.2%和60.0%～169.7%，行程利用率分別提高50.4%～192.5%、55.2%～133.3%和64.0%～200.5%，比總體效率分別提高 150.8%～743.5%、 31.7%～328.9% 和 187.6%～752.4%；而相對(duì)應(yīng)的Y向管，管長(zhǎng)比為1.4的正四、五、六邊形各試樣比管長(zhǎng)比為3.0的各試樣的比吸能分別提高21.7%～173.9%、23.5%～67.4%和26.1%～137.7%，行程利用率分別提高39.6%～202.5%、23.4%～89.7%和31.6%～171.4%，比總體效率分別提高 221.5%～683.4%、 64.5%～246.8% 和 181.6%～673.6%。

圖8 管長(zhǎng)比對(duì)試樣動(dòng)態(tài)壓縮曲線的影響Fig.8 Comparison of axial drop impact compression curvesat different tubelength ratios

2.2.2.3 管橫截面邊數(shù)

圖10為不同管橫截面邊數(shù)試樣的動(dòng)態(tài)壓縮曲線對(duì)比圖。由圖10可知，在管方向、管長(zhǎng)比和跌落沖擊能量相同的條件下，隨著管橫截面邊數(shù)的增加，初始峰值應(yīng)力逐漸增大且塑性平臺(tái)區(qū)應(yīng)變逐漸減小。

圖9 不同管長(zhǎng)比條件下試樣動(dòng)態(tài)緩沖吸能特性對(duì)比Fig.9 Cushioning energy absorption of samples with different tube length ratios under axial drop impact compression

表7為不同管橫截面邊數(shù)試樣的動(dòng)態(tài)緩沖吸能計(jì)算結(jié)果。由表7可知，隨著管橫截面邊數(shù)的增加，各式樣的比吸能、行程利用率和比總體效率都有明顯的下降。X向正四邊形管的比吸能、行程利用率和比總體效率比正五、六邊形管的分別提高2.6%～46.0%、4.4%～101.3%、2.4%～60.8%和4.8%～93.0%、3.5%～187.4%、10.9%～294.1%。Y向正四邊形管的比吸能、行程利用率、比總體效率比正五、六邊形管的分別提高3.2%～77.8%、3.9%～57.6%、1.5%～65.5%和4.7%～112.3%、6.5%～182.2%、15.8%～247.1%。

圖10 不同管橫截面邊數(shù)試樣的動(dòng)態(tài)壓縮曲線對(duì)比Fig.10 Cushioningenergy absorption of sampleswith different tube cross-section sides under axial drop impact compression

2.2.3 跌落沖擊能量對(duì)動(dòng)態(tài)緩沖吸能特性的影響

圖11是不同跌落沖擊能量試樣的動(dòng)態(tài)壓縮曲線對(duì)比圖。由圖11可知，在管方向、管橫截面邊長(zhǎng)、管橫截面邊數(shù)和管長(zhǎng)比相同的條件下，隨著跌落沖擊能量的增大，試樣的塑性平臺(tái)區(qū)應(yīng)變呈增大趨勢(shì)，且初始峰值應(yīng)力逐漸增大。

表7 不同管橫截面邊數(shù)試樣的動(dòng)態(tài)緩沖吸能計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculations of cushioning energy absorption of samples with different tube cross-section sides under axial drop impact compression

圖12為不同跌落沖擊能量下試樣的動(dòng)態(tài)緩沖吸能對(duì)比。由圖12可知，隨著跌落沖擊能量的增大，試樣的比吸能、行程利用率、比總體效率均呈升高趨勢(shì)。但由于增加跌落沖擊能量，平均壓潰載荷及初始峰值載荷均會(huì)增大，且各自增大的程度有所不同，所以，壓縮力效率和比總體效率的增大出現(xiàn)較大的波動(dòng)。在跌落沖擊能量為20.6 J時(shí)，試樣HT4X-50/150的壓縮力效率最接近于“理想值”100%。

圖11 不同跌落沖擊能量試樣的動(dòng)態(tài)壓縮曲線對(duì)比Fig.11 Comparison of axial drop impact compression curvesfor sampleswith different drop impact energy

圖13是試樣HT4X-50/150在8種跌落沖擊能量（20.6、26.8、33.1、34.3、42.8、44.7、55.2、71.3 J）下的壓縮變形圖。由圖13可知，隨著跌落沖擊能量的增大，管被壓潰的高度不斷增加。以管橫截面邊長(zhǎng)50 cm、管長(zhǎng)比3.0的管為例，相對(duì)于跌落沖擊能量為20.6 J，跌落沖擊能量為71.3 J的條件下，正四、五、六邊形X向管的比吸能分別提高283.1%、299.7%、310.2%，而相對(duì)應(yīng)的Y向管比吸能分別提高262.1%、191.9%、238.1%；X向管的行程利用率分別提高173.3%、239.3%、240.3%，而相對(duì)應(yīng)的Y向管分別提高178.4%、191.0%、128.2%；X向管的比總體效率分別提高170.0%、285.4%、341.9%，而相對(duì)應(yīng)的Y向管分別提高231.2%、387.9%、241.4%。然而，在跌落沖擊能量33.1、34.3 J和42.8、44.7 J之間，試樣的比吸能出現(xiàn)了兩個(gè)較小的波動(dòng)。即在跌落沖擊能量33.1 J（跌落沖擊高度30 cm，跌落沖擊質(zhì)量11.275 kg）、34.3 J（跌落沖擊高度50 cm，跌落沖擊質(zhì)量7.0 kg）和42.8 J（跌落沖擊高度30 cm，跌落沖擊質(zhì)量14.55 kg）、44.7 J（跌落沖擊高度50 cm，跌落沖擊質(zhì)量9.125 kg）的條件下，試樣HT6X-50/150的比吸能依次為0.643、0.610、0.933和0.874 J/g，這是由于紙蜂窩夾層管是應(yīng)變率敏感材料，應(yīng)變率對(duì)其屈服應(yīng)力影響較大。當(dāng)?shù)錄_擊能量相近時(shí)，試樣在30 cm跌落沖擊高度的比吸能都高于50 cm時(shí)的值，這表明在跌落沖擊能量相等或相近的情況下，跌落沖擊質(zhì)量對(duì)管的軸向緩沖吸能的貢獻(xiàn)效果比跌落沖擊高度顯著。

圖12 不同跌落沖擊能量條件下動(dòng)態(tài)緩沖吸能特性對(duì)比Fig.12 Comparison of cushioningenergy absorption with different drop impact energy

3 結(jié)論

通過(guò)軸向靜態(tài)和軸向跌落沖擊動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了正多邊形紙蜂窩夾層管的緩沖吸能特性，分析了管方向、管橫截面邊數(shù)、管長(zhǎng)比和跌落沖擊能量對(duì)紙蜂窩夾層管緩沖吸能特性的影響，主要結(jié)論如下。

（1）在軸向靜態(tài)壓縮條件下，紙蜂窩夾層管的漸進(jìn)屈曲變形模式明顯。正多邊形X向管的屈服強(qiáng)度比正多邊形Y向管的高14.8%，壓潰強(qiáng)度比Y向管的低7.0%；正多邊形X向管的塑性平臺(tái)應(yīng)力和密實(shí)化應(yīng)變與正多邊形Y向管基本一致。隨著管橫截面邊數(shù)的增加，紙蜂窩夾層管的行程利用率呈增大趨勢(shì)，而比吸能、壓縮力效率、比總體效率都呈下降趨勢(shì)。

（2）在軸向跌落沖擊載荷作用下，紙蜂窩夾層管發(fā)生漸進(jìn)屈曲變形。X向正四、五、六邊形管的比吸能、比總體效率都優(yōu)于Y向管，而Y向管的行程利用率則大于X向管。隨著管長(zhǎng)比的增大或管橫截面邊數(shù)的增加，紙蜂窩夾層管的比吸能、行程利用率、比總體效率都有明顯的下降。

（3）隨著跌落沖擊能量的增大，紙蜂窩夾層管的比吸能、行程利用率、比總體效率整體呈增大趨勢(shì)；在跌落沖擊能量相等或相近的情況下，跌落沖擊質(zhì)量對(duì)紙蜂窩夾層管軸向緩沖吸能效果的貢獻(xiàn)比跌落沖擊高度顯著。