鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能試驗與數(shù)值研究

張 晟，陳 偉，高德平

(南京航空航天大學(xué) 航空發(fā)動機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu) 工業(yè)和信息化部重點實驗室,江蘇 南京 210016)

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為典型大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣重要組成部分，其抗沖擊性能成為國內(nèi)外研究重點。國內(nèi)外對鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在低速沖擊下的動力學(xué)響應(yīng)和抗沖擊性能方面開展了卓有成效的研究工作。

據(jù)報道，有學(xué)者針對六邊形鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)沖壓試驗以研究其能量吸收特性；還研究了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在低速沖擊下的抗沖擊性能和能量吸收特性及利用有限元方法對蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低速沖擊數(shù)值模擬，認(rèn)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能受蜂窩壁厚、蜂窩尺寸和沖擊能量的影響。

已開展的研究主要集中鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在中低速度沖擊條件下的抗沖擊性能研究。然而鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為一種與復(fù)合材料類似的“復(fù)合結(jié)構(gòu)”，其在高速沖擊下的動態(tài)特性、抗沖擊性能、能量變換關(guān)系等研究較少。本文對鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)開展抗沖擊性能研究，通過設(shè)計鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)固持裝置與高速沖擊數(shù)值模擬方法，開展鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)平板試件高速沖擊試驗和數(shù)值模擬，深入研究鋁板與蜂窩結(jié)構(gòu)能量吸收與轉(zhuǎn)化規(guī)律及其相互關(guān)系。

1 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊試驗

1.1實驗設(shè)備與內(nèi)容

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊試驗通過高速沖擊試驗系統(tǒng)進(jìn)行。高速沖擊試驗系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)、速度測量系統(tǒng)、固持防護(hù)系統(tǒng)、應(yīng)變測量系統(tǒng)和高速紋影系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)主要設(shè)備為一級輕氣炮，其直徑為60 mm，可發(fā)射彈體的最大質(zhì)量為250 g，最大速度可達(dá)200 m/s；速度測量系統(tǒng)設(shè)置在炮口和固持防護(hù)系統(tǒng)之間，由激光測速儀和速度顯示器等組成；應(yīng)變測量系統(tǒng)由超動態(tài)應(yīng)變儀和計算機(jī)組成；固持防護(hù)系統(tǒng)由地基、夾具、防護(hù)鋼板和有機(jī)玻璃防護(hù)板、回收桶組成；高速紋影系統(tǒng)主要包含高速攝影儀、強(qiáng)光源和觸發(fā)裝置等組成。

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件幾何尺寸為250 mm×170 mm×71.6 mm，其中蜂窩芯采用5052鋁合金，厚度為70 mm，由正六邊形蜂窩構(gòu)成，蜂窩胞元壁厚0.06 mm，胞元特征尺寸3 mm；上下鋁面板采用6060鋁合金，厚度均為0.8 mm。模擬葉片采用TC4鈦合金，幾何尺寸為120 mm×45 mm×6 mm矩形塊結(jié)構(gòu)，沖擊端倒圓角。

1.2 試驗結(jié)果與分析

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊試驗結(jié)果

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊試驗共開展7組，試驗編號分別用FJ1～FJ7表示，試驗結(jié)果如表1所示。除FJ1試驗結(jié)果為模擬葉片卡入外，其余6組試驗中，模擬葉片均穿透鋁蜂窩夾層平板試件。

表1 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊試驗結(jié)果Tab.1 High speed impact test results of aluminum honeycomb sandwich structure

彈道極限速度

試驗中，彈道極限速度()表示彈體50%可能卡入靶板時的初始速度。工程中通常用模擬葉片穿透鋁蜂窩板后剩余速度為0時的初始速度來表示。根據(jù)能量守恒規(guī)律，當(dāng)剩余速度為0時，模擬葉片動能全部轉(zhuǎn)化為鋁蜂窩結(jié)構(gòu)變形能以及葉片摩擦等損失的能量，表達(dá)式為：

在理想狀態(tài)下，忽略摩擦等能量損失，模擬葉片動能全部被鋁蜂窩結(jié)構(gòu)吸收。因此彈道極限速度可通過試驗中模擬葉片初始速度和剩余速度確定，表達(dá)式為：

式中：為模擬葉片初始速度；為模擬葉片剩余速度；為模擬葉片因摩擦等能量損失的速度分量。計算得到的彈道各極限速度，結(jié)果如表1所示。隨著模擬葉片初始速度增加，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)也逐漸增加，一定程度上反映了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊的應(yīng)變率效應(yīng)。

能量分析

式中：為模擬葉片質(zhì)量；為模擬葉片初始速度；為模擬葉片剩余速度；為摩擦等損耗的能量，主要包含模擬葉片做功摩擦損耗、鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的變性能以及結(jié)構(gòu)變形過程中的動能損耗。

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸收的總能量與初始速度關(guān)系如圖1所示。

圖1 高速沖擊試驗中鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)吸收能量與初始速度關(guān)系Fig.1 Relationship between energy absorption and initial velocity of aluminum honeycomb sandwich structure in high speed impact test

由圖1可知，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)穿透后，結(jié)構(gòu)吸收能量隨著初始速度的增加而增加，反映了蜂窩結(jié)構(gòu)吸收能量的應(yīng)變率效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)應(yīng)變率高，吸收能量的能力強(qiáng)。

2 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方法

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊數(shù)值模擬采用商用非線性動力學(xué)有限元分析軟件ANSYS/LS-Dyna 971R7進(jìn)行。根據(jù)高速沖擊試驗件幾何尺寸建立模擬葉片與鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。模擬葉片和鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)均采用六面體實體單元，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)單元數(shù)為314 500個，模擬葉片單元數(shù)為7 076個。邊界條件為鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)兩側(cè)節(jié)點固支。

蜂窩夾層的鋁合金平板和模擬葉片的材料模型采用塑性隨動模型，蜂窩夾層的蜂窩結(jié)構(gòu)采用26#蜂窩材料模型。26#材料模型(*MAT_HONEYCOMB)可用于表征蜂窩結(jié)構(gòu)各向異性的非線性彈塑性特點，通過定義應(yīng)變率與縮放系數(shù)之間的關(guān)系，在不同的應(yīng)變率下，對材料模型中定義的應(yīng)力應(yīng)變曲線按照應(yīng)變率縮放系數(shù)比例縮放。由不同應(yīng)變率下的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)動態(tài)壓縮響應(yīng)中平臺階段平均應(yīng)力與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮平臺階段平均應(yīng)力的比值作為不同應(yīng)變率下的縮放系數(shù)。該系數(shù)不僅能夠模擬鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)變率硬化，同時也考慮了高應(yīng)變率壓縮過程中，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)中的氣密性效應(yīng)。

鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)面板密度為2.7 g/cm，彈性模量為71 GPa，泊松比0.32；鋁蜂窩密度為2.7 g/cm，彈性模量為70 GPa，泊松比0.33；模擬葉片密度為4 440 kg/m，彈性模量為109 GPa，屈服強(qiáng)度為919 MPa，泊松比0.34。

在鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中，模擬葉片與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)之間的接觸采用面與面的侵徹接觸(*ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，蜂窩結(jié)構(gòu)采用單面接觸設(shè)置(*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)，懲罰剛度因子設(shè)為0.1。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

高速沖擊數(shù)值模擬結(jié)果

針對7組高速沖擊試驗開展相應(yīng)的數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表2所示。

表2 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比Tab.2 Comparison between test and numerical simulation of strain gauge data

由表2可知，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，誤差均在5%以內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬方法的有效性。

應(yīng)變響應(yīng)對比分析

由于鋁蜂窩結(jié)構(gòu)胞元尺寸較小，采用傳統(tǒng)的測試手段難以獲得鋁蜂窩結(jié)構(gòu)細(xì)觀沖擊過程中的動態(tài)響應(yīng)。為研究鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在高速沖擊下宏觀動態(tài)響應(yīng)，在試件兩端鋁面板表面相應(yīng)位置分別粘貼應(yīng)變片，其中1號應(yīng)變片和2號應(yīng)變片分別貼在入射面中線下方和中線左側(cè)位置；3號應(yīng)變片和4號應(yīng)變片分別貼在出射面的中線下方和中線右側(cè)位置。

FJ7組高速沖擊試驗中，按照鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)兩側(cè)鋁板上粘貼應(yīng)變片的位置，在數(shù)值模擬模型中對應(yīng)的位置提取應(yīng)變響應(yīng)，并進(jìn)行對比。各應(yīng)變片試驗與對應(yīng)位置數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，各應(yīng)變片位置的應(yīng)變響應(yīng)，數(shù)值模擬與試驗基本一致。

(a)入射面1號應(yīng)變片

由圖2(a)可知，在0.15 ms時，模擬葉片撞擊1號鋁板(入射面鋁板)時的應(yīng)變達(dá)到峰值，約為20 000 με，隨后周期性的振蕩，并在阻尼作用下逐漸衰減直至穩(wěn)定；數(shù)值模擬在0.8 ms，當(dāng)模擬葉片撞擊2號鋁板(出射面鋁板)時，1號鋁板應(yīng)變產(chǎn)生微幅振蕩，然而試驗測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)未出現(xiàn)相應(yīng)的振蕩，數(shù)值模擬穩(wěn)態(tài)應(yīng)變值略高于試驗值。

由圖2(b)可知，在0.1 ms時，模擬葉片撞擊1號鋁板(入射面鋁板)時的應(yīng)變達(dá)到峰值，約為14 000 με，與1號應(yīng)變片在響應(yīng)時間與應(yīng)變峰值上均存在一定差異；隨后周期性的振蕩，并在阻尼作用下逐漸衰減直至穩(wěn)定；數(shù)值模擬在0.8 ms，當(dāng)模擬葉片撞擊2號鋁板(出射面鋁板)時，1號鋁板應(yīng)變產(chǎn)生微幅振蕩，然而試驗測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)同樣未出現(xiàn)相應(yīng)的振蕩，數(shù)值模擬穩(wěn)態(tài)應(yīng)變值與試驗值基本一致。

由圖2(c)可知，在0.8 ms時，模擬葉片撞擊2號鋁板，應(yīng)變達(dá)到峰值，約為13 500 με，隨后周期性的振蕩，并在阻尼作用下逐漸衰減，數(shù)值模擬穩(wěn)態(tài)應(yīng)變值與試驗值基本一致。

由圖2(d)可知，在0.8 ms時，模擬葉片撞擊2號鋁板，應(yīng)變達(dá)到峰值，約為9 500 με，隨即應(yīng)變達(dá)到反向峰值，約為7 000 με，隨后應(yīng)變周期性振蕩，并在阻尼作用下逐漸衰減，數(shù)值模擬穩(wěn)態(tài)應(yīng)變值與試驗值基本一致。

能量分析

葉片沖擊鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)過程中，模擬葉片動能逐漸減少，其中大部分由鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)變形吸收，小部分由于摩擦損耗。在模擬葉片穿透鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)1號與2號鋁板時，模擬葉片的動能下降速度較快；模擬葉片穿透鋁蜂窩結(jié)構(gòu)時，其動能下降緩慢。在沖擊過程中，模擬葉片動能的下降基本上是由鋁板的變形以及鋁蜂窩結(jié)構(gòu)胞元壁塌陷、壓實變形吸收，而且鋁蜂窩結(jié)構(gòu)能量吸收速率較鋁板能量吸收速率低。模擬葉片穿透鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)后，還能少量吸收能量，因為由鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與模擬葉片之間存在摩擦。

定義高速沖擊過程中，結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量吸收的能量值為結(jié)構(gòu)的能量吸收率，表達(dá)式：

表3分別列出了沖擊過程中1號和2號鋁板、鋁蜂窩結(jié)構(gòu)吸收能量的情況。模擬葉片沖擊2號鋁板時中，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)同時被模擬葉片進(jìn)一步壓縮，該過程中鋁蜂窩結(jié)構(gòu)吸收的能量計入2號鋁板能量吸收中。

表3 鋁板、鋁蜂窩結(jié)構(gòu)能量吸收率Tab.3 Energy absorption rate of aluminum plate and aluminum honeycomb structure

由表3可知，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的能量吸收率明顯優(yōu)于鋁板。

3 結(jié)語

本文通過鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的高速沖擊試驗，分析了葉片撞擊速度等因素對結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的影響獲得了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的極限速度以及結(jié)構(gòu)的能量吸收關(guān)系；建立了鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型，探索了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊的數(shù)值模擬方法，開展了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊的數(shù)值模擬，研究了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在高速沖擊下的動態(tài)響應(yīng)。

(1)通過設(shè)計合理的固持方式，開展鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊試驗。試驗中，隨著模擬葉片初始速度增加，結(jié)構(gòu)彈道極限速度也逐漸增加，反映了結(jié)構(gòu)的應(yīng)變率效應(yīng);

(2)通過擬合鋁蜂窩結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型參數(shù)，設(shè)置合理的接觸方式，建立了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)高速沖擊數(shù)值模擬方法，并通過高速沖擊動態(tài)試驗進(jìn)行驗證；

(3)提出了能量吸收率的概念；高速沖擊條件下，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)能量吸收率顯著高于鋁板。