葉表皮細(xì)胞壁仿生結(jié)構(gòu)在冰雹作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

徐 丹， 韓登安， 任 鵬， 葉仁傳

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

飛行器在工作過程中，冰雹等極端環(huán)境對其結(jié)構(gòu)的安全性造成了極大的威脅[1]。在保證飛行器結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，如何利用新材料及新結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)體局部結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，提高其整體抵御冰雹等強(qiáng)動(dòng)沖擊載荷的能力是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問題之一[2]。

針對該問題，國內(nèi)外學(xué)者利用試驗(yàn)及仿真對方法開展了大量的研究工作。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的毀傷與冰雹的特性(冰雹的質(zhì)量、撞擊的角度和速度)和被撞擊物的特性(幾何和材料)密切相關(guān)[3]。陳星[4]對冰雹材料模型進(jìn)行了研究，并通過試驗(yàn)對比驗(yàn)證材料模型的有效性，最后研究不同冰雹粒徑對撞擊力的影響。Anghileri等[5]采用3種不同的顯式有限元分析方法對冰雹沖擊鋁板進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比發(fā)現(xiàn)SPH(smoothed particle hydrodynamics)模型的能夠縮短計(jì)算時(shí)間。張宇等[6]通過試驗(yàn)和仿真對典型航空水平安定面和機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)抗冰雹和仿真鳥彈沖擊特性進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明同等條件下仿真鳥彈的威脅性更大。Kim等[7-8]進(jìn)行了高速冰雹沖擊下碳纖維復(fù)合材料板的試驗(yàn)和有限元模擬研究，得到不同沖擊能量下復(fù)合材料板的初始損傷模式。劉洋等[9-10]利用有限元軟件模擬了冰雹高速?zèng)_擊復(fù)合材料層合板的試驗(yàn)。張曉晴等[11]對復(fù)合材料加筋壁板的抗冰雹沖擊響應(yīng)進(jìn)行了研究。張永康等[12]對冰雹撞擊下在傳統(tǒng)單層泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的上、下面板之間插入中面板所得到的5種構(gòu)型夾芯結(jié)構(gòu)的泡沫鋁夾芯板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著中面板位置由上向下移動(dòng)，夾芯板的抗撞擊性能呈現(xiàn)由大到小再增大的趨勢。在傳統(tǒng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，Zheng等[13]近期基于葉子的生長過程，發(fā)現(xiàn)了折疊的葉片表面可以通過表皮細(xì)胞體積的分裂生長功能打開，引起細(xì)胞壁的大變形[14]的現(xiàn)象。進(jìn)而提出了葉表皮細(xì)胞壁仿生結(jié)構(gòu)，并明確了該仿生結(jié)構(gòu)同時(shí)具有低橫向剛度、高垂直剛度以及剛度適應(yīng)新環(huán)境能力強(qiáng)等特性，該仿生結(jié)構(gòu)與柔性蒙皮形成的夾層結(jié)構(gòu)不僅可保證結(jié)構(gòu)的輕量化，同時(shí)具有小切向剛度和大法向剛度特性。

本文基于該葉表皮細(xì)胞壁仿生結(jié)構(gòu)(a biomimetic isosceles trapezoid corrugated lattice cellular,bio-ITCLC)，結(jié)合數(shù)值仿真方法對冰雹載荷作用下新型仿生復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及毀傷特性進(jìn)行了研究，分析了冰雹速度及冰雹直徑對其失效模式的影響規(guī)律。

1 有限元仿真

1.1 冰雹撞擊仿生結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)有限元模型

本文將采用Zheng等提出的葉表皮細(xì)胞壁仿生結(jié)構(gòu)核芯，此仿生結(jié)構(gòu)核芯與柔性蒙皮組合而成本質(zhì)上即是復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，包含上面板，芯層和下面板。該三部分的材料均是由37%的環(huán)氧樹脂和63%的單向滌綸纖維組成。其次，仿生結(jié)構(gòu)核芯是受葉片表皮細(xì)胞壁低橫向和高豎向剛度的啟發(fā)設(shè)計(jì)的仿生等腰梯形波紋格子細(xì)胞，bio-ITCLC芯層每個(gè)單元由3個(gè)部分組成(Cell-1, Cell-2和 Cell-3)，如圖1所示。h1/3和h2分別為Cell-1/Cell-3的厚度和Cell-2部分的厚度，本文中厚度均為1 mm；L1/3為Cell-1，Cell-3的上邊長度，上邊長度為24 mm；d1/3和d2分別為Cell-1/Cell-3和Cell-2的高度，高度分別為15 mm和14 mm。

圖1 仿生結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bionic structure

對于此夾層結(jié)構(gòu)，在圖1笛卡爾坐標(biāo)系中，上下面板的纖維方向?yàn)閥軸方向，對于bio-ITCLC芯層，Cell-1和Cell-3的纖維方向?yàn)閤軸方向，Cell-2的纖維方向?yàn)閦軸方向。

冰雹撞擊仿生夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖2所示。在ABAQUS軟件中，冰雹采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(C3D8R)模擬，根據(jù)氣象資料顯示，80%～90%的冰雹直徑小于30 mm，本文將選取4種不同直徑大小的冰雹，冰雹直徑分別為17 mm，25 mm，30 mm，37 mm，45 mm，52 mm，60 mm進(jìn)行研究分析[15]。夾層結(jié)構(gòu)上下面板的尺寸為280 mm×300 mm，厚度為1 mm。冰雹撞擊仿生夾層結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬過程中，夾層板邊緣6個(gè)自由度全約束，冰雹和夾層結(jié)構(gòu)之間設(shè)置通用接觸，上下面板和bio-ITCLC芯層之間采用cohesive接觸。在撞擊過程中部分冰雹會(huì)發(fā)生失效而轉(zhuǎn)變成流體性質(zhì)，為了防止冰雹質(zhì)量的流失，當(dāng)冰雹單元發(fā)生失效時(shí)不刪除失效單元[16]。

圖2 冰雹撞擊仿生夾層結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of hailstone impact on bionic sandwich structure

1.2 材料模型和損傷演變

對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可以看作是一種正交各向異性彈性材料。確?；臼噶颗c復(fù)合材料的經(jīng)緯方向一致。三維本構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可在局部笛卡爾坐標(biāo)系下計(jì)算，基本形式如式(1)所示

(1)

式中：σij和τij(i,j=1,2,3)為應(yīng)力；εij和γij(i,j=1,2,3)為應(yīng)變；Cij(i,j=1,2,3,4,5,6)為模量分量； 表示應(yīng)力和應(yīng)變符號的下標(biāo)1,2,3分別對應(yīng)沿著纖維方向，垂直于纖維方向以及復(fù)合材料板的厚度方向。

復(fù)合材料板在受撞擊過程中，其層內(nèi)損傷主要有4種形式：纖維拉伸，纖維壓縮，基體拉伸和基體壓縮。4種損傷形式并不是單獨(dú)存在，而是兩種或兩種以上同時(shí)發(fā)生。本文將選用應(yīng)用最為廣泛的三維Hashin失效準(zhǔn)則，三維Hashin失效準(zhǔn)則是一種基于應(yīng)力的失效準(zhǔn)則，其具體表達(dá)式如下

(1) 纖維拉伸(σ11≥0)

(2)

(2) 纖維壓縮(σ11≤0)

(3)

(3) 基體拉伸(σ22+σ33≥0)

(4)

(4) 基體壓縮(σ22+σ33≤0)

(5)

式中：XT和XC為復(fù)合材料板的縱向拉伸和壓縮強(qiáng)度；YT和YC為復(fù)合材料板的橫向拉伸和壓縮強(qiáng)度；S12和S23為復(fù)合材料板的縱向剪切和橫向剪切強(qiáng)度。

在撞擊過程中，當(dāng)靶板的某些區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變足夠大時(shí)，這些區(qū)域會(huì)發(fā)生損傷，但是還具有承載能力。在連續(xù)損傷力學(xué)方法中，損傷通過材料剛度矩陣的退化來反映，首先，根據(jù)損傷起始判據(jù)判定復(fù)合材料是否發(fā)生損傷，若發(fā)生損傷，本文將選用根據(jù)剛度折減的方式來表示這種由損傷引起的材料性能退化，即在剛度矩陣中引入損傷變量[17]。本文仿生結(jié)構(gòu)夾層板的材料參數(shù)，如表1所示。

表1 仿生夾層結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.1 Parameters of bionic sandwich structure

針對冰雹，冰雹的力學(xué)性能與應(yīng)變率有很大的相關(guān)性，本文將采用陳星所提出的以應(yīng)變率相關(guān)的抗壓強(qiáng)度關(guān)系作為冰雹的本構(gòu)模型，以張力失效準(zhǔn)則作為材料單元的分離準(zhǔn)則。冰雹材料參數(shù)，如表2所示。在ABAQUS軟件中，相關(guān)抗壓強(qiáng)度可以通過給出抗壓強(qiáng)度比(強(qiáng)度倍增系數(shù))和對應(yīng)的應(yīng)變率來實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)研究表明，進(jìn)入塑性階段的初始屈服強(qiáng)度為5.2 MPa，各應(yīng)變率節(jié)點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度與最小抗壓強(qiáng)度值(初始屈服強(qiáng)度值5.2 MPa)的比值為抗壓強(qiáng)度比，基于不同應(yīng)變率的抗壓強(qiáng)度比值，如表3所示。張力失效準(zhǔn)則通過在輸入文件(Inp文件)中定義實(shí)現(xiàn)。

表2 冰雹材料參數(shù)Tab.2 Parameters of the hailstone

表3 不同應(yīng)變率下的抗壓強(qiáng)度比Tab.3 Compressive strength ratio at different strain rates

1.3 冰雹加載模型有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證冰雹模型的有效性，將數(shù)值模擬結(jié)果與陳星等總結(jié)的兩組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，其中一組試驗(yàn)結(jié)果來自于美國普渡大學(xué)，另一組試驗(yàn)結(jié)果來自于美國加州大學(xué)圣迭戈分校(purdue136和UCSD-29試驗(yàn))，該組試驗(yàn)是將冰雹撞擊剛性體，相關(guān)參數(shù)如表4所示。因?yàn)槿Ｐ洼S對稱，取1/2模型進(jìn)行分析計(jì)算。撞擊過程中，采用通用接觸，結(jié)果采集冰雹的接觸力并與試驗(yàn)對比，相關(guān)對比結(jié)果如表4所示。d為冰雹直徑，v為撞擊速度，F(xiàn)max為最大接觸力，tmax為最大接觸力所對應(yīng)時(shí)刻。試驗(yàn)和仿真接觸力時(shí)間歷程對比曲線，如圖3所示。表4和圖3表明仿真和試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，證明冰雹材料模型的有效性。

表4 冰雹模型試驗(yàn)和仿真結(jié)果對比Tab.4 Comparison of hail model experiment and simulation results

圖3 試驗(yàn)和仿真接觸力對比曲線Fig.3 Comparison of experimental and simulated contact force

為了驗(yàn)證bio-ITCLC夾層結(jié)構(gòu)材料模型的有效性，將對Zheng等研究中的面外壓縮試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并比較仿真與試驗(yàn)的屈服強(qiáng)度，相關(guān)數(shù)據(jù)及對比結(jié)果如表5所示，tf為夾層結(jié)構(gòu)上下面板的厚度，F(xiàn)cr為屈服強(qiáng)度，Error為試驗(yàn)和仿真的誤差值。仿真與試驗(yàn)的誤差值均在可接受范圍內(nèi)，證明bio-ITCLC夾層結(jié)構(gòu)材料模型的有效性。

表5 Bio-ITCLC夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和仿真結(jié)果對比Tab.5 Comparison of bio-ITCLC sandwich structure experiment and simulation results

2 結(jié)果分析

2.1 不同冰雹速度下的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

選取仿生夾層結(jié)構(gòu)的中心為撞擊點(diǎn)，冰雹直徑選取30 mm。根據(jù)飛行器飛行工況以及被撞擊位置的不同，撞擊速度可達(dá)到30～200 m/s，并且冰雹撞擊復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的過程中，會(huì)造成夾層結(jié)構(gòu)的不可見的內(nèi)部損傷，除此之外，本文將進(jìn)一步分析復(fù)合材料夾層板的失效模式，所以其撞擊速度選取為20 m/s，40 m/s，60 m/s，80 m/s和100 m/s。數(shù)值模擬得到不同冰雹撞擊速度作用下，冰雹和夾層結(jié)構(gòu)之間的接觸力和位移時(shí)程曲線。

圖4呈現(xiàn)了冰雹以速度為60m/s撞擊仿生夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程?？梢杂^察到，失效后的冰雹單元呈現(xiàn)流體特性，溢出撞擊范圍，并且不再參與之后的仿真分析，此效果與劉洋等研究中的效果相似。

圖4 冰雹撞擊仿生夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程Fig.4 Dynamic response process of bionic sandwich structure impacted by hail

圖5呈現(xiàn)了在不同速度下，直徑為30 mm冰雹撞擊夾層結(jié)構(gòu)的接觸力時(shí)間歷程曲線。結(jié)果顯示接觸力峰值隨著速度的增加而增大，速度從小到大的所對應(yīng)的接觸力峰值分別為，1 082 N，1 876 N，2 604 N，4 186 N和5 236 N，但接觸力所對應(yīng)時(shí)刻并沒有呈現(xiàn)規(guī)律性變化。除此之外，還可發(fā)現(xiàn)當(dāng)冰雹撞擊速度小于60m/s時(shí)，接觸力時(shí)間歷程曲線曲線較為平滑；當(dāng)速度等于60 m/s 時(shí)，波動(dòng)較??；但當(dāng)速度達(dá)到100 m/s時(shí)，波動(dòng)最為劇烈。這種現(xiàn)象主要是因?yàn)楫?dāng)撞擊速度小于60 m/s時(shí)，夾層板的bio-ITCLC芯層和上下面板幾乎沒有損傷，當(dāng)速度等于60 m/s時(shí)，芯層有輕微損傷；當(dāng)速度等于80 m/s時(shí)，上面板損傷很小，芯層損傷比撞擊速度為60 m/s嚴(yán)重；而當(dāng)速度達(dá)到100 m/s時(shí)，上面板破壞嚴(yán)重，芯層損傷程度較重，如圖6所示。圖6為在不同撞擊速度下，夾層結(jié)構(gòu)的上面板，下面板和芯層的損傷情況。

圖5 不同速度下冰雹撞擊夾層結(jié)構(gòu)的接觸力曲線Fig.5 Contact force curve of hailstone impacting sandwich structure at different velocities

圖6 夾層結(jié)構(gòu)在冰雹撞擊作用下的損傷程度Fig.6 Damage degree of sandwich structure under hailstone impact

除此之外，從圖5發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度超過60 m/s時(shí)，曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰值，100 m/s時(shí)較為明顯，以100 m/s為例，結(jié)合圖7，圖7表示不同時(shí)刻，上面板和芯層的損傷情況，圖7(a1)～圖7(h1)為不同時(shí)刻上面板的損傷情況，圖7(a2)～圖7(h2)為不同時(shí)刻芯層的損傷情況。此種現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)冰雹撞擊夾層板時(shí)，首先，如圖7(b1)、圖7(b2)、圖7(c1)和圖7(c2)中白色方形和箭頭所示，上面板的損傷情況明顯小于芯層損傷情況，此時(shí)，芯層起到主要抗撞擊作用，當(dāng)t=0.07 ms時(shí)，即圖5中出現(xiàn)的第一個(gè)接觸力峰值(A點(diǎn))。當(dāng)芯層損傷達(dá)到一定程度時(shí)，部分損傷單元?jiǎng)h除，抗撞擊能力下降， 如圖7(c2)和圖7(d2)所示，隨后，上面板起到主要抗撞擊作用，如圖7(d2)、圖7(e2)、圖7(f2)、圖7(g2)和圖7(h2)所示，芯層損傷情況沒有明顯變化，直到上面板抗撞擊能力下降，即當(dāng)t=0.18 ms，此時(shí)，圖7中接觸力達(dá)到第二個(gè)峰值(B點(diǎn))。

圖7 不同時(shí)刻上面板和bio-ITCLC芯層的損傷情況Fig.7 Damage of upper panel and bio-ITCLC core at different times

不同撞擊速度下，冰雹撞擊夾層結(jié)構(gòu)的接觸力峰值隨撞擊速度的變化關(guān)系，如圖8所示。由圖8可知，接觸力峰值隨著撞擊速度增大而不斷增大，接觸力峰值與撞擊速度之間呈現(xiàn)拋物線性關(guān)系，冰雹質(zhì)量不變，即接觸力峰值與冰雹沖擊能量之間呈線性關(guān)系，與Kim等研究的規(guī)律一致。圖9為不同撞擊速度下(選取20 m/s, 40 m/s, 60 m/s, 100 m/s)，夾層結(jié)構(gòu)的上面板，芯層(靠近上面板的中心點(diǎn))和下面板的中心點(diǎn)在撞擊方向(Z軸方向)的位移隨時(shí)間變化曲線。由圖9可知，芯層總是最后到達(dá)位移峰值，其次是上面板，最后是下面板。這與芯層結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且在冰雹撞擊仿生夾層結(jié)構(gòu)的過程中，夾層結(jié)構(gòu)各部分起到抗撞擊作用的順序?yàn)?，芯層Cell-1，上面板，芯層Cell-2然后是下面板，當(dāng)芯層Cell-1的抗撞擊能力達(dá)到一定程度時(shí)，而此時(shí)冰雹的初始動(dòng)能還未完全消耗完，芯層隨著上面板一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上面板完全破壞時(shí)，芯層繼續(xù)起到抗撞擊作用，如圖9(d)所示，所以芯層靠近上面板的中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到達(dá)位移峰值時(shí)間最長。除此之外，上面板和下面板幾乎同時(shí)達(dá)到位移峰值。

圖8 不同速度冰雹撞擊夾層結(jié)構(gòu)接觸力峰值關(guān)系Fig.8 Relationship between peak contact force of hailstone impacting sandwich structure at different velocities

參照圖9(a)、圖9(b)和圖9(c)，并結(jié)合以上闡述，可以發(fā)現(xiàn)在撞擊速度較小時(shí)，上面板沒有完全破壞，芯層的位移峰值最小。但速度增大，上面板完全破壞，芯層繼續(xù)起到抗撞擊作用，如圖9(d)所示，芯層的位移峰值在三者中最大。

2.2 不同直徑冰雹下的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

選取仿生夾層結(jié)構(gòu)的中心為撞擊點(diǎn)，冰雹的直徑(d)分別為17 mm，25 mm，30 mm，37 mm，45 mm，52 mm， 60 mm，其撞擊速度為60 m/s，主要選取17 mm， 30 mm， 45 mm，60 mm冰雹直徑進(jìn)行分析。數(shù)值模擬得到不同直徑冰雹作用下，冰雹和仿生結(jié)構(gòu)之間的接觸力和位移時(shí)程曲線。

不同直徑冰雹撞擊仿生結(jié)構(gòu)的接觸力時(shí)間曲線，如圖10所示。結(jié)合圖5，圖10(a1)夾層板上下面板損傷不明顯，和圖5中撞擊速度為60 m/s，100 m/s相似，所以接觸力曲線有輕微波動(dòng)，如圖10(b1)所示，上下面板破壞嚴(yán)重，圖10(b1)比圖10(a1)曲線波動(dòng)明顯劇烈，總體接觸力峰值也更高。當(dāng)冰雹直徑達(dá)到45 mm時(shí)，冰雹撞擊時(shí)仿生結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞，當(dāng)達(dá)到60 mm時(shí)，仿生結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全穿透，如圖10(b2)和圖10(b3)所示。隨著冰雹直徑的增大，到達(dá)接觸力峰值的時(shí)間也不斷增長。

圖10 不同直徑冰雹撞擊夾層結(jié)構(gòu)的接觸力時(shí)歷曲線Fig.10 The contact force time curve of hailstone with different diameters impacting sandwich structure

不同直徑冰雹撞擊復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的接觸力峰值隨冰雹直徑的變化關(guān)系，如圖11所示。不同冰雹直徑對應(yīng)的接觸力峰值分別為1 318 N，2 254 kN，2 604 N，3 759 kN，4 607 N，4 980 kN，5 856 N。由圖11發(fā)現(xiàn)，接觸力峰值隨著冰雹直徑增大而不斷增大，幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系。

圖11 不同直徑冰雹撞擊夾層結(jié)構(gòu)接觸力峰值關(guān)系Fig.11 The contact force relationship between hailstone with different diameters impacting sandwich structure

2.3 仿生夾層結(jié)構(gòu)的失效模式

圖12展示了仿生結(jié)構(gòu)在不同直徑冰雹在60 m/s的撞擊作用下的損傷程度，圖中灰色區(qū)域表示代表已經(jīng)發(fā)生損傷的區(qū)域，由于直徑為17 mm的冰雹撞擊夾層結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)沒有明顯破壞，在圖12中沒有呈現(xiàn)?？梢悦黠@看出仿生結(jié)構(gòu)的上面板，下面板以及芯層都是沿著纖維方向或者是垂直于纖維方向進(jìn)行失效。并且60 mm冰雹撞擊后，破裂的完整性要比40 mm冰雹好。上下面板的失效模式主要出現(xiàn)了纖維斷裂，基體開裂。纖維斷裂方向都是垂直于纖維方向，首先發(fā)生基體開裂，并且主要是沿著纖維方向。

由于60 mm冰雹沖擊仿生夾層結(jié)構(gòu)過程中，仿生結(jié)構(gòu)的破壞性較為完整，所以選取45 mm冰雹，45 mm冰雹沖擊仿生結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)損傷歷程，如圖13所示，結(jié)合圖7和圖12可以看出，冰雹撞擊仿生結(jié)構(gòu)，其破壞區(qū)域主要集中在撞擊區(qū)域，向外擴(kuò)展很小。如圖13(a)所示，冰雹沖擊仿生夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，bio-ITCLC芯層撞擊區(qū)域的Cell-1和Cell-2的交接處首先發(fā)生破壞；其次，撞擊區(qū)域的Cell-2出現(xiàn)屈曲，如圖13(b)所示；隨后，出現(xiàn)屈曲的Cell-2發(fā)生破裂直至壓潰，在此過程過，Cell-1發(fā)生基體開裂并伴隨著基體開裂，如圖13(c)所示；撞擊區(qū)域周圍出現(xiàn)大面積的Cell-2和Cell-3、Cell-1和Cell-2交接處出現(xiàn)破裂和Cell-2出現(xiàn)屈曲直至壓潰，如圖13(d)所示。

圖12 夾層結(jié)構(gòu)在冰雹撞擊作用下的損傷程度Fig.12 Damage degree of sandwich structure under hailstone impact

圖13 冰雹撞擊仿生結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)損傷歷程Fig.13 Dynamic damage process of biomimetic structure impacted by hail

2.4 不同夾層結(jié)構(gòu)對比分析

選取參考文獻(xiàn)[18]中泡沫夾層結(jié)構(gòu)(泡沫夾層及上下面板厚度分別為35 m，0.74 mm，0.74 mm)、參考張永康等研究中泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)(泡沫鋁夾層及上下面板厚度分別為30 mm，1 mm，0.5 mm)與仿生夾層結(jié)構(gòu)通過單位面密度抗沖擊能量β進(jìn)行對比分析，相關(guān)方案及數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 3種夾層結(jié)構(gòu)對比結(jié)果Tab.6 Comparison results of three sandwich structures

選取方案F1與B1，β值相近，在冰雹載荷下，兩者均沒有出現(xiàn)明顯損傷，對比F2與B6，仿生夾層與泡沫夾層失效模式不同，泡沫夾層損傷模式主要為凹坑，而仿生夾層主要是纖維斷裂，基體開裂等。對比A1與B2，兩者在沖擊方向上下面板中心點(diǎn)位移分別為4 mm，1.05 mm，對比損傷可以看出，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的損傷裂紋較大，說明該仿生夾層結(jié)構(gòu)阻止裂紋擴(kuò)展能力優(yōu)于泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)。除此之外，泡沫和泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)只能起到支撐作用，而該仿生夾層結(jié)構(gòu)具備低橫向剛度、高垂直剛度以及剛度適應(yīng)新環(huán)境能力強(qiáng)等特性。

3 結(jié) 論

本文對冰雹載荷撞擊作用下bio-ITCLC仿生夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了仿真研究，分析了其在冰雹直徑及撞擊速度對其響應(yīng)特性及失效模式的影響規(guī)律。得到以下結(jié)論：

(1) 冰雹載荷作用下bio-ITCLC仿生夾層結(jié)構(gòu)的失效模式為上下面板的基體開裂伴隨纖維開裂，及仿生芯層撞擊區(qū)域發(fā)生屈曲至壓潰。

(2) 當(dāng)冰雹撞擊速度大于60 m/s時(shí)，bio-ITCLC仿生夾層結(jié)構(gòu)的上面板和芯層的臨界失效分別對應(yīng)接觸力的兩個(gè)峰值，且該接觸力峰值隨著冰雹直徑的增大而線性遞增，隨冰雹撞擊速度的增大呈拋物線遞增。

(3) 冰雹作用下bio-ITCLC仿生芯層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可分為3個(gè)階段，分別為芯層Cell-1和Cell-2交接處開裂；撞擊位置的Cell-2出現(xiàn)屈曲至壓潰及Cell-1的基體開裂伴隨纖維斷裂；撞擊周圍區(qū)域出現(xiàn)芯層各部分連接位置開裂、Cell-3的纖維斷裂及Cell-2的屈曲壓潰。