夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究綜述

孟令輝

（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院）

0 引言

隨著近年來(lái)意外撞擊和恐怖襲擊事件的頻發(fā)，防護(hù)結(jié)構(gòu)成為了公眾關(guān)注的熱點(diǎn)，對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能也提出了更高的要求，政府和工程界不斷地關(guān)注沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，努力尋求兼有輕質(zhì)和某些優(yōu)良性能相結(jié)合的結(jié)構(gòu)以滿足不同的需求。由于夾層結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、強(qiáng)度高、剛度大、良好的吸能減振和隔聲等優(yōu)異性能，自上個(gè)世紀(jì)四五十年代以來(lái)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和建筑等沖擊防護(hù)領(lǐng)域。圖1 顯示了從2013 年到2022 年十年間研究夾層板沖擊性能的期刊數(shù)量?？傮w來(lái)看，夾層板的在國(guó)內(nèi)外的研究熱度不斷上升，這也表明夾芯板的功能已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可。

1 結(jié)構(gòu)形式及材料

夾層結(jié)構(gòu)是輕型的多功能復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過在兩個(gè)薄而堅(jiān)硬的表面之間嵌入一個(gè)承載力相對(duì)較為薄弱的輕質(zhì)厚芯層而構(gòu)成，面層-芯層界面是夾層結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分。粘合劑通常用在這個(gè)界面上，將上、下端面層與內(nèi)芯粘合，圖2 是一個(gè)典型的夾層結(jié)構(gòu)[1]。

夾層結(jié)構(gòu)中根據(jù)夾芯材料與結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為：泡沫夾層結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、梯形板夾層結(jié)構(gòu)和其他新型夾層結(jié)構(gòu)[2]，見圖3。構(gòu)成結(jié)構(gòu)的材料有金屬、環(huán)氧樹脂、聚氨酯泡沫、玻璃纖維、塑料、木材等。

2 沖擊響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

Cheng Y 等人[3]研究了U 型波紋夾層板在不同沖擊速度、不同位置下的板材的變形模式、荷載-位移變化階段以及在整個(gè)沖擊過程中夾層板的能量吸收情況，研究結(jié)果表明：夾層板呈現(xiàn)三個(gè)破壞階段，夾芯層正面和芯材吸收了沖擊的大部分能量。Wang Y 等人[4]將鋼-聚氨酯泡沫-鋼-混凝土-鋼（SPUFSCS）面板分為“軟”、“硬”兩層的疊合夾層結(jié)構(gòu)，通過落錘沖擊系統(tǒng)研究其動(dòng)力響應(yīng)，研究結(jié)果表明：“軟”層是整個(gè)面板承受沖擊能量的關(guān)鍵之處，硬層則是衡量面板損壞水平的標(biāo)準(zhǔn)，板沖擊力的增加速度與錘頭接觸板后的位移成反比，整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出局部和整體變形的綜合破壞模式。He W等人[5]對(duì)X-Frame 夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行低速動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，并對(duì)不同面層材料進(jìn)行比較，研究結(jié)果表明：復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)比鋁制夾層結(jié)構(gòu)更容易遭受沖擊破壞，但在穿孔情況下，前者比后者吸收了更多的沖擊能量，所以復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有更好的抗沖擊能力。He W 等人[6]研究由CFRP 面層和鋁合金波紋芯層組成的混合夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊響應(yīng)和剩余抗彎行為，研究結(jié)果表明：破壞取決于沖擊能量和沖擊位置。即使沖擊能量低于10J，殘余抗彎強(qiáng)度也會(huì)明顯下降，而隨著沖擊能量的進(jìn)一步增加，殘余抗彎強(qiáng)度也會(huì)略有下降。Meram 等人[7]重點(diǎn)分析芯/面界面性能對(duì)鋁蜂窩夾層板的沖擊響應(yīng)的影響。使用五種不同的粘合劑連接芯層與面板，產(chǎn)生了五種不同的芯/面界面阻力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：界面阻力與破壞機(jī)制高度相關(guān)，通過使用高阻力的界面粘合劑，夾層板的脫粘面積、撓度減少，吸收的沖擊能量增大。Liu Y 等人[8]研究在低速?zèng)_擊情況下錐形、半球形和扁平的沖擊器對(duì)波紋芯材夾層板抗沖擊性能的影響。研究結(jié)果表明：較鈍的沖擊器產(chǎn)生較高的峰值力、較高的最大力。在非穿孔情況下，錐形沖擊器沖擊的樣品吸收的沖擊能量最大，扁平?jīng)_擊器沖擊的樣品吸收的能量最小，在穿孔情況下則相反。Lu J 等人[9]研究了平鋼板-混凝土-波紋鋼板（FS-C-CS）夾層板的沖擊響應(yīng)，研究結(jié)果表明：面板的變形模式包括全局彎曲和局部壓痕，夾層板的抗沖擊性能隨著波紋板高度和厚度的增加而普遍提高，變形量更小，沖擊力和峰值后平均力更大。劉孫濤等人[10]對(duì)套管吸能層-加勁肋雙鋼板混凝土組合板的抗沖擊性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：所有加勁肋雙鋼板混凝土組合板均表現(xiàn)出整體彎曲和局部凹陷的組合變形模式，吸能層的存在能夠顯著減小套管吸能層-加勁肋雙鋼板混凝土組合板的沖擊變形，并提高沖擊承載。Zhang 等人[11]為了提高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性，在蜂窩孔中填充了金屬管，對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的落錘沖擊響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：管狀填料的加入使前后面的應(yīng)力和變形分布更加均勻，同時(shí)能更快地吸收沖擊能量，并且正面和背面的最大撓度分別減少了18.6%和36.4%。Xue X 等人[12]研究帶碳/玻璃纖維混合物面層的蜂窩狀?yuàn)A層在低速/重質(zhì)量下的抗沖擊性能，結(jié)果表明：不同蜂窩芯高度的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的總破壞高度幾乎沒有變化，上層表皮所分擔(dān)的沖擊能量隨著蜂窩核心高度的增加而增加。

根據(jù)以上所述總結(jié)了不同夾層板核心材料的優(yōu)缺點(diǎn)，見表1，并對(duì)不同芯材的研究量作了總結(jié)，見圖4。

表1 夾層板不同芯材的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

3 理論建模方法

Crupi V 等人[13]基于能量平衡模型，利用斷層分析對(duì)鋁蜂窩夾層的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了研究，對(duì)其失效模式進(jìn)行理論建模，從而預(yù)測(cè)夾層的失效機(jī)制。Alonso L 等人[14]提出了一個(gè)基于能量的理論模型，分析了帶有PVC 可壓碎泡沫核心的夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在高速?zèng)_擊下的性能。將能量吸收分為六個(gè)不同階段，并有相應(yīng)的能量吸收機(jī)制。Crupi d 等人[15]開發(fā)了一個(gè)分析模型，用于預(yù)測(cè)面層由玻璃纖維組成的鋁制泡沫夾層結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊下的峰值載荷，在能量平衡模型的基礎(chǔ)上，用理論方法研究了三明治的沖擊反應(yīng)，模型參數(shù)是通過對(duì)被沖擊的面板進(jìn)行斷層分析獲得的。王哲等人[16]對(duì)V 型和U 型兩種波紋夾層板進(jìn)行建模，研究其在沖擊載荷作用下的位移響應(yīng)，并探究了有限元模型網(wǎng)格的敏感性。楊晶晶等人[17]建立了鋁褶皺夾芯板低速?zèng)_擊數(shù)值模型，探究幾何參數(shù)的改變對(duì)夾層板抗沖擊性能的影響，采用不同沖擊能量進(jìn)行仿真計(jì)算，在有限元模型中面板和芯層的鋁合金采用各向同性彈塑性模型，為防止穿透，對(duì)模型定義了通用接觸，采用與“面-面”接觸相同的屬性設(shè)置。

4 總結(jié)與展望

通過對(duì)夾層結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)研究文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，近年的研究以實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬為主。實(shí)驗(yàn)研究能直接明了地觀測(cè)變形過程、破壞模式，得出的數(shù)據(jù)更接近實(shí)際工況，可靠性更高。但由于結(jié)構(gòu)本身的制造缺陷、測(cè)量?jī)x器精度不足等客觀原因?qū)е麓嬖谡`差，并且實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度大，難以施加任意方向的荷載，受實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制較多，部分實(shí)際工況無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的成本較高。數(shù)值模擬能夠分析不同邊界條件及材料行為，預(yù)測(cè)內(nèi)力、應(yīng)變等，且精度較高，數(shù)值模擬靈活性高，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)、各個(gè)區(qū)域進(jìn)行全角度分析。但由于有限元軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)不是很完善，數(shù)值模擬能夠采用的模型仍然存在局限性，同時(shí)模型的材料特性難以完全契合實(shí)際材料屬性，而且在模擬過程中需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。

夾層結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、抗沖擊性能好、使用靈活、性價(jià)比高，對(duì)于預(yù)防意外撞擊、防止連續(xù)性倒塌、保障人員生命安全具有重要作用，夾層結(jié)構(gòu)作為一種輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但其性能受材料的限制較大，所以在未來(lái)發(fā)展過程中，要重點(diǎn)關(guān)注夾層結(jié)構(gòu)材料的使用性能，通過尋找更加輕質(zhì)、高強(qiáng)的材料去提高夾層結(jié)構(gòu)的發(fā)展空間。