含液金屬蜂窩夾芯梁抗沖擊性能研究

關(guān)鍵詞：金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)；含液結(jié)構(gòu)；抗沖擊；沖后振動(dòng)

艦艇抗爆抗沖擊技術(shù)是支撐艦艇生命力提升的核心技術(shù)。夾芯結(jié)構(gòu)材料具有良好的抗彎曲與抗屈曲能力，在艦艇抗爆抗沖擊領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

20年來，大量研究工作已經(jīng)分析了金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在不同爆炸沖擊載荷（如：空氣爆炸[1]、水下爆炸[2]、土壤爆炸[3-6]、約束爆炸[7]、泡沫子彈沖擊[8]等）作用下的變形響應(yīng)與失效機(jī)理?，F(xiàn)有研究結(jié)果普遍認(rèn)為，合理設(shè)計(jì)的夾芯結(jié)構(gòu)相較于等質(zhì)量的實(shí)心結(jié)構(gòu)具有更好的抗爆性能，這主要依賴于芯體單元的屈曲和塑性變形耗散能量[9]。但無(wú)論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下，蜂窩結(jié)構(gòu)的芯體單元都會(huì)在達(dá)到峰值載荷后發(fā)生屈曲破壞，從而使得結(jié)構(gòu)的承載及能量吸收效率大大降低，這使得其工程應(yīng)用范圍受到極大的限制[10]。對(duì)于沖擊振動(dòng)，由于受限于金屬材料自身的低阻尼特性[11]，金屬夾芯結(jié)構(gòu)抑制爆炸引起的艦船或者車輛振動(dòng)問題需要進(jìn)一步研究。

相關(guān)研究表明，混雜設(shè)計(jì)可提高胞元結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和能量吸收[12-13]，如：Mozafari等[14]對(duì)填充聚氨酯泡沫的鋁蜂窩進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)平面內(nèi)壓縮測(cè)試，發(fā)現(xiàn)泡沫芯的存在增加了面內(nèi)抗壓強(qiáng)度；Vaziri等[15]對(duì)聚合物泡沫填充方形蜂窩和三角形波紋芯金屬夾層板的強(qiáng)度和能量吸收進(jìn)行了有限元分析，確定了在擠壓和脈沖載荷下，泡沫的存在提高了夾層板剛度，并通過提供橫向支撐增加了芯體構(gòu)件的抗壓屈曲強(qiáng)度。同時(shí)受固液兩相的人體顱腦結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，固相多孔結(jié)構(gòu)的顱骨是人顱腦最堅(jiān)固的部分，給腦組織提供可靠的保護(hù)，對(duì)人類的生命安全起著重要的作用。液相腦脊液是顱腦解剖結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其為大腦提供營(yíng)養(yǎng)，緩沖大腦的機(jī)械沖擊，腦脊液還能在顱腦受到?jīng)_擊時(shí)提供有效的阻尼來防止顱內(nèi)突然的腦運(yùn)動(dòng)。此含液多孔結(jié)構(gòu)起到良好的緩沖和吸能作用[16]。

因此，本文中利用金屬蜂窩結(jié)構(gòu)高度的可設(shè)計(jì)性、較低的表觀密度和較高的孔隙度，提出含液金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的方案——通過向蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)充液體（本文中采用液體為水）提高夾芯結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和能量吸收，利用液體黏性、附加質(zhì)量和局部相對(duì)運(yùn)動(dòng)等因素來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)阻尼，提升結(jié)構(gòu)抗沖擊與沖后振動(dòng)性能；在傳統(tǒng)金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)制備方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)含液金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的制備方法；通過泡沫子彈沖擊實(shí)驗(yàn)與有限元模擬的方法探究含液結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性。

1含液金屬蜂窩夾芯梁制備方法

1.1結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

含液金屬蜂窩夾芯梁由前/后面板、正方蜂窩芯體以及液胞組成，材料為304不銹鋼。圖1為正方蜂窩夾層梁和芯體單元相關(guān)幾何參數(shù)，具體數(shù)值見表1，其中含液芯體相對(duì)密度為：

式中： w=1000kg/m3，為充液密度，本文中液體為水。

1.2制備過程

含液結(jié)構(gòu)制備流程如圖2所示，采用厚度2.03和0.38mm的304不銹鋼板材，通過激光切割工藝制作芯體及面板單元，將芯體長(zhǎng)壁板與短臂板扦插組成芯體主體（圖2（a））。通過面板上設(shè)有的榫槽將芯體主體與面板進(jìn)行定位組裝后，對(duì)前后面板與芯體主體先后采用直流氬弧焊和激光脈沖焊進(jìn)行局部小范圍定位焊接和連接焊接（圖2（b））。隨后在芯體內(nèi)分別填充液胞及隔熱材料（圖2（c）），本文中隔熱材料為氣凝膠隔熱膜，其主要成分為氧化硅，材料具體性能參數(shù)見表2。液胞填充采用自封袋，如圖3所示，選擇適當(dāng)尺寸自封袋，利用注射器注入規(guī)定量的著色液體后利用自封條密封，同時(shí)在自封條上端采用熱壓封口機(jī)進(jìn)行二次密封。完成填充后，通過榫卯結(jié)構(gòu)將芯體側(cè)壁與芯體主體、前后面板同樣進(jìn)行定位組裝后焊接連接（圖2（d））。

2含液金屬蜂窩夾芯梁性能研究方法

2.1泡沫子彈沖擊實(shí)驗(yàn)

2.1.1實(shí)驗(yàn)樣件

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)所用的金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)可分為有效區(qū)域與固定區(qū)域，其中：有效區(qū)域內(nèi)包含芯體與面板或芯體、面板與液胞；固定區(qū)域內(nèi)僅含有金屬面板，不含金屬蜂窩芯體，此區(qū)域通過填充墊塊以便于邊界夾持固定。在圖示的坐標(biāo)軸中，x方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)觀測(cè)方向，y方向在實(shí)驗(yàn)中豎直向上，z方向?yàn)榕菽訌棝_擊方向。

2.1.2實(shí)驗(yàn)方法

在泡沫鋁子彈撞擊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的局部受載區(qū)內(nèi)，子彈與結(jié)構(gòu)的接觸力歷程與實(shí)際空氣或水下爆炸產(chǎn)生的壓力脈沖歷程接近[17]。因此，為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安全有效地模擬爆炸沖擊波載荷，本文采用了泡沫鋁子彈撞擊結(jié)構(gòu)的等效辦法模擬爆炸沖擊波載荷。

基于此，本文采用文獻(xiàn)[18]中的一級(jí)輕氣炮發(fā)射泡沫鋁子彈撞擊兩端固定的金屬蜂窩夾芯梁。一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)裝置包括了氣室、炮管、測(cè)試艙、回收艙、觀察窗、支撐底座。金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)通過6個(gè)M10的螺栓以及墊塊固定在剛性框架上，而剛性框架與觀察室直接相連，以確保樣件的固支邊界穩(wěn)定。高速攝像機(jī)（IX-SPEED）放置在觀察室側(cè)面，用于觀察采集實(shí)驗(yàn)樣件動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并可用于測(cè)量子彈沖擊速度，測(cè)試中，高速攝像每隔50μs采集一次，分辨率為1064×762。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將夾芯梁從夾具上取下，測(cè)量夾芯梁面板的永久撓度。

2.2有限元模擬分析

2.2.1泡沫子彈沖擊有限元模型

本節(jié)使用商業(yè)有限元軟件Abaqus/Explicit對(duì)金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的泡沫子彈沖擊響應(yīng)開展了數(shù)值模擬。針對(duì)無(wú)填充及含液結(jié)構(gòu)形式分別建立了有限元模型，無(wú)填充結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，該模型由實(shí)體單元（前后面板、墊塊、泡沫子彈、實(shí)驗(yàn)工裝）以及殼單元（芯體）組成。在面板及芯體側(cè)壁開設(shè)榫槽，在芯體長(zhǎng)壁板及短臂板開設(shè)扦插槽。實(shí)體單元采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元（C3D8R）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，殼單元網(wǎng)格采用4節(jié)點(diǎn)減縮積分單元（S4R）。實(shí)驗(yàn)過程中樣件芯體側(cè)壁與面板存在分離現(xiàn)象，因此僅將芯體短臂板、中心位置長(zhǎng)壁板與面板采用面-結(jié)點(diǎn)綁定接觸，其余零部件間采用通用接觸，邊界條件為工裝一側(cè)的所有位移及旋轉(zhuǎn)自由度受到約束。

含液結(jié)構(gòu)在無(wú)填充結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，使用SPH方法對(duì)液體進(jìn)行建模，填充水和金屬構(gòu)件采用通用接觸。在進(jìn)行樣件制備時(shí)，均采用注射器向每個(gè)單胞內(nèi)注入8ml著色液體，保證每個(gè)單胞內(nèi)液體的充入量可控，同時(shí)在制備后、實(shí)驗(yàn)前分別測(cè)量了無(wú)填充樣件與充液樣件的質(zhì)量，通過質(zhì)量差估算實(shí)驗(yàn)時(shí)充液樣件的總充液量，再平均至單胞內(nèi)，得出含液結(jié)構(gòu)單胞平均充液量約為7ml。表3展示了樣件理想情況、制備后、實(shí)驗(yàn)前的質(zhì)量，分別使用縮寫N與W代表無(wú)填充、含液結(jié)構(gòu)，后文將不再贅述，首先制備后樣件質(zhì)量略小于理想質(zhì)量，造成此問題的原因?yàn)椴糠忠后w殘留在注射器內(nèi)，但制備后與實(shí)驗(yàn)前的質(zhì)量差異較小，說明單胞內(nèi)液體封存較好，因此采用樣件質(zhì)量差估算單胞內(nèi)液量是可靠的，同時(shí)考慮樣件安裝在實(shí)驗(yàn)工裝上時(shí)液體重力作用，故將每個(gè)單胞內(nèi)的液體建立為16.3mm×28.6mm×15.0mm的長(zhǎng)方體，其中5個(gè)面與芯體內(nèi)壁貼合，如圖6所示。

2.2.2本構(gòu)模型

除填充的液體外各部件均由304不銹鋼制成，模型采用Johnson-Cook本構(gòu)模型[18-19]。根據(jù)該模型，流動(dòng)應(yīng)力為

式中：A、B、C、n和m為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的材料常數(shù)；為參考應(yīng)變率；為等效塑性應(yīng)變；，為絕對(duì)溫度，為熔化溫度，為轉(zhuǎn)變溫度。

目前有限元模擬中采用的材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[6]。由于含液金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)基體均未發(fā)現(xiàn)裂紋，因此不考慮材料失效參數(shù)。

水采用Mie-GrüneisenEOS模型：

式中：p為壓力，和為水的密度和初始密度，為波速，up為粒子速度，為水中的聲速，為粒子速度，為Grüneisen系數(shù)，e為內(nèi)能。

目前有限元模擬中采用的水材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[20]。

泡沫子彈材料選擇Crushable-Foam可壓碎泡沫等向硬化材料模型，輸入?yún)?shù)參考文獻(xiàn)[21]。

2.2.3網(wǎng)格敏感性分析

為了獲得最優(yōu)的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行有限元模擬，本節(jié)將從網(wǎng)格收斂性、分析時(shí)間兩方面對(duì)面板、芯體、含液結(jié)構(gòu)內(nèi)的液體網(wǎng)格大小進(jìn)行分析。

為獲得面板及芯體的網(wǎng)格尺寸，以初始速度=100m/s對(duì)無(wú)填充夾層梁進(jìn)行泡沫彈丸沖擊加載。固定面板網(wǎng)格尺寸為1mm時(shí)，圖7為芯體網(wǎng)格分別為0.5、1.0、1.5、2、3.0、3.5mm時(shí)相應(yīng)的后面板跨中峰值位移以及該模型在不同芯體網(wǎng)格尺寸下的計(jì)算時(shí)間，隨著網(wǎng)格尺寸的減小，后面板跨中峰值位移趨于收斂，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.5、1.0、1.5mm時(shí)，模擬結(jié)果差異不明顯。因此，為了平衡計(jì)算成本和數(shù)值精度，選擇芯體網(wǎng)格尺寸為1.5mm。

固定芯體網(wǎng)格尺寸為1.5mm時(shí)，圖8為面板網(wǎng)格分別為0.5、0.75、1.0、1.25、1.5mm時(shí)相應(yīng)的后面板跨中峰值位移以及該模型在不同面板網(wǎng)格尺寸下的計(jì)算時(shí)間。隨著網(wǎng)格尺寸的減小，后面板跨中峰值位移趨于收斂，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.5、0.75、1.0mm時(shí)，模擬結(jié)果差異不明顯，同時(shí)考慮計(jì)算時(shí)間，面板網(wǎng)格選擇1mm。

為獲得含液結(jié)構(gòu)液體網(wǎng)格尺寸，以初始速度v0=100m/s對(duì)含液夾層梁進(jìn)行泡沫彈丸沖擊加載。固定面板網(wǎng)格尺寸為1mm，芯體網(wǎng)格尺寸為1.5mm時(shí)，圖9為液體網(wǎng)格分別為0.5、1.0、1.5、2.0mm時(shí)相應(yīng)的后面板跨中峰值位移以及該模型在不同液體網(wǎng)格尺寸下的計(jì)算時(shí)間。從位移收斂性與計(jì)算成本出發(fā)，含液結(jié)構(gòu)液體網(wǎng)格尺寸選擇1.5mm。

3結(jié)果與討論

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.1結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

本文采用了2種子彈動(dòng)量作用于無(wú)填充及含液金屬蜂窩夾芯梁上，總計(jì)4次沖擊實(shí)驗(yàn)，樣件質(zhì)量、泡沫子彈以及殘余位移情況總覽如表4所示：mb、ma、mpb、mpa分別表示實(shí)驗(yàn)前樣件質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)后樣件質(zhì)量以及實(shí)驗(yàn)前泡沫子彈的質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)后泡沫子彈的質(zhì)量，W為后面板殘余位移。實(shí)驗(yàn)所用泡沫鋁子彈的直徑與長(zhǎng)度為58與100mm，泡沫子彈均沖擊于結(jié)構(gòu)中心處，子彈沖量為

式中： fl0v0為泡沫子彈密度，為泡沫子彈長(zhǎng)度，為泡沫子彈的沖擊速度。

3.1.2結(jié)構(gòu)響應(yīng)過程與變形失效模式

兩邊固支的金屬蜂窩夾芯梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形響應(yīng)過程大致可以分為3個(gè)階段[22]：（1）利用泡沫鋁子彈撞擊模擬爆炸載荷作用在結(jié)構(gòu)上后，子彈的初始動(dòng)量轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)所受沖量，使前面板立即獲得一個(gè)初速度，其余部分保持靜止不動(dòng)；（2）芯體被前面板壓縮，后面板仍保持靜止；（3）芯體壓縮完成，后面板開始產(chǎn)生變形，此時(shí)整個(gè)三明治結(jié)構(gòu)擁有相同的速度，到達(dá)最大位移處后結(jié)構(gòu)發(fā)生回彈，并在平衡位置處發(fā)生彈性振蕩，逐漸達(dá)到最終位移，最后在塑性拉伸和彎曲作用下結(jié)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)。

在經(jīng)歷了前兩個(gè)階段后，芯體壓縮結(jié)束，在第三階段三明治結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，此時(shí)結(jié)構(gòu)變形模式與均質(zhì)板相同，如圖10所示，ξ為移動(dòng)塑性鉸位置，w為結(jié)構(gòu)跨中點(diǎn)位移，首先在撞擊點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)塑性鉸，而兩個(gè)塑性鉸把擾動(dòng)從跨中點(diǎn)向兩個(gè)支撐端傳入梁的未變形部分。在運(yùn)動(dòng)的最后階段，支撐處和跨中點(diǎn)的塑性鉸都保持不動(dòng)，直到梁靜止為止。基于此，本文展示了無(wú)填充結(jié)構(gòu)、含液結(jié)構(gòu)在約120m/s沖擊速度下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，如圖11和12所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：泡沫鋁子彈以平穩(wěn)的飛行姿態(tài)撞擊到結(jié)構(gòu)前面板；以子彈與結(jié)構(gòu)的接觸時(shí)刻定為0，在0.4～0.8ms觀察到撞擊點(diǎn)產(chǎn)生的塑性鉸以及從跨中點(diǎn)向兩個(gè)支撐端移動(dòng)的塑性鉸；在1.2ms兩個(gè)移動(dòng)的塑性鉸到達(dá)支撐端；1.2～2.0ms塑性鉸固定不動(dòng)，結(jié)構(gòu)位移增大；2ms時(shí)位移達(dá)到最大，開始回彈；在4ms時(shí)可以觀察到結(jié)構(gòu)明顯的回彈現(xiàn)象，泡沫子彈受反向作用力同樣發(fā)生回彈。圖13給出實(shí)驗(yàn)結(jié)束后泡沫鋁彈丸的最終形貌，泡沫子彈變形主要為壓潰和密實(shí)。

待樣件靜止穩(wěn)定后，將其從工裝上取下，并觀察變形與失效模式，兩種樣件變形失效模式中蜂窩夾層板的前、后面板未產(chǎn)生撕裂破損，前面板主要受到入射沖擊波、芯體及邊界約束的共同作用，產(chǎn)生彎曲和拉伸變形。后面板主要受到芯體及邊界約束的共同作用，同樣產(chǎn)生彎曲和拉伸變形。圖14展示了將樣件在1/4寬度處沿長(zhǎng)度方向切割后的變形失效情況，可以看到芯體發(fā)生明顯的壓縮與剪切變形。由于梁中部的兩個(gè)單胞受到泡沫子彈的直接打擊，此處的芯體以壓縮變形為主；未受泡沫子彈打擊區(qū)域的芯體以剪切變形為主。另外由于不可壓縮液體的存在，含液結(jié)構(gòu)梁中部芯體變形呈現(xiàn)從中間向兩邊對(duì)稱變形的趨勢(shì)，具體見圖14（b）。而無(wú)填充結(jié)構(gòu)中芯體壓縮變形方向不受限制，具有隨機(jī)性。

3.2有限元模型驗(yàn)證

3.2.1能量分析

有限元計(jì)算需要滿足系統(tǒng)總能量守恒，圖15展示了兩種樣件系統(tǒng)的各關(guān)鍵能量隨時(shí)間的演化規(guī)律，包括了總能量E、內(nèi)能U、動(dòng)能Ek、黏性耗散能Ed。結(jié)果表明，系統(tǒng)總能量均隨時(shí)間推進(jìn)保持恒定，滿足能量守恒條件：

且沙漏能Eh維持在總能量的10%以內(nèi)[23]。

3.2.2實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

對(duì)實(shí)驗(yàn)與模擬預(yù)測(cè)的前后面板殘余位移進(jìn)行對(duì)比，其中模擬分析殘余位移通過對(duì)初始最大位移之后的幾個(gè)彈性振蕩周期的位移取平均值進(jìn)行估計(jì)取得。兩種結(jié)構(gòu)前后面板殘余位移實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比結(jié)果如圖16所示?？梢钥闯?，當(dāng)前有限元模型對(duì)于無(wú)填充結(jié)構(gòu)、含液結(jié)構(gòu)的殘余位移可以提供合理的預(yù)報(bào)，最大誤差不超過15%。

同時(shí)，分析了模擬預(yù)測(cè)典型樣件的動(dòng)態(tài)變形響應(yīng)過程。圖17通過給出了在約120m/s沖擊速度下無(wú)填充結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形過程?？梢钥闯觯涓C芯體首先在中間區(qū)域發(fā)生壓剪變形，隨著塑性鉸的移動(dòng)，芯體剪切區(qū)域逐漸向兩端移動(dòng)，結(jié)構(gòu)達(dá)到最大變形后發(fā)生彈性振蕩，塑性變形則基本穩(wěn)定，模擬與實(shí)驗(yàn)中結(jié)構(gòu)變形過程的吻合度較好。通過上述驗(yàn)證工作，本文確定了當(dāng)前數(shù)值模型可以合理可靠地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。

3.3參數(shù)討論

基于上述模型，本節(jié)將研究沖擊速度及液體含量對(duì)含液三明治結(jié)構(gòu)抗沖擊性能、沖后振動(dòng)的影響，重點(diǎn)關(guān)注后面板的跨中位移、結(jié)構(gòu)阻尼。

3.3.1沖擊速度對(duì)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能影響

在上述模型無(wú)量綱含液量（實(shí)際填充量與單胞內(nèi)填滿液體時(shí)液體含量比值）為0.57情況下，計(jì)算無(wú)填充結(jié)構(gòu)與含液結(jié)構(gòu)在不同沖擊速度下位移響應(yīng)，如圖18所示。隨沖擊速度的增大，結(jié)構(gòu)峰值位移、殘余位移均增大，但含液結(jié)構(gòu)位移始終小于無(wú)填充結(jié)構(gòu)，位移減小量在15%～21%。

3.3.2液體含量對(duì)含液結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響

圖19給出了液體含量對(duì)于含液結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響。表5中列出了不同含液量下結(jié)構(gòu)增重及位移減小量。結(jié)果表明，隨充液量的增大，結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)減小即抗沖擊性能提升，結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)最大減小量為13.66%。雖然在目前的設(shè)計(jì)中，提升結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能需要犧牲一定的輕量化特性，但由于液體可根據(jù)抗沖擊需求填充，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊需求時(shí)，結(jié)構(gòu)不增重；有沖擊需求時(shí)，結(jié)構(gòu)性能提升的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3.3液體含量對(duì)含液結(jié)構(gòu)抗沖后振動(dòng)性能的影響

在抗沖后振動(dòng)性能的研究中，因振動(dòng)過程中結(jié)構(gòu)位移變化量較小，為避免工裝轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響，有限元模型中梁的兩端調(diào)整為理想固支，不再考慮工裝的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)5種不同含液量含液結(jié)構(gòu)的振動(dòng)衰減時(shí)程曲線進(jìn)行分析，振動(dòng)衰減時(shí)程曲線通過取沖擊作用下結(jié)構(gòu)峰值位移點(diǎn)為起始點(diǎn)，并將最終殘余位移做統(tǒng)一處理后獲得，如圖20所示。

根據(jù)所記錄的振動(dòng)衰減時(shí)程曲線，可求得結(jié)構(gòu)的對(duì)數(shù)衰減率：

式中：N為波峰數(shù)，計(jì)算時(shí)取為10；A1為第一次振動(dòng)的振幅，計(jì)算時(shí)取峰值位移；AN為第N次振動(dòng)的振幅。

不同含液量下結(jié)構(gòu)阻尼比計(jì)算結(jié)果如表6所示，可以看出，填充液體后，結(jié)構(gòu)的阻尼比大幅提高，隨充液量的增加，阻尼比增大，阻尼比增大量遠(yuǎn)大于質(zhì)量增重百分比。充液比率為1時(shí)的阻尼比較無(wú)填充情況增大了約1.6倍。阻尼比越大，振動(dòng)過程中結(jié)構(gòu)衰減越快，因此相較于無(wú)填充結(jié)構(gòu)，含液結(jié)構(gòu)瞬態(tài)振動(dòng)可以得到更快速的衰減，達(dá)到穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的時(shí)間更短，同時(shí)可以有效降低結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中疲勞破壞、影響精密儀器工作甚至船員健康的可能性。

4總結(jié)

本文針對(duì)含液金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)制備方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)并完善含液金屬蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的制備方法，滿足了液體密封、含量和位置可調(diào)控的需求。通過泡沫子彈沖擊實(shí)驗(yàn)與有限元模擬的方法探究了含液結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性，并得出以下結(jié)論：

（1）含液結(jié)構(gòu)在抗沖擊方面表現(xiàn)（即抗沖擊響應(yīng)與抗沖后振動(dòng)性能）優(yōu)于無(wú)填充結(jié)構(gòu)；

（2）隨沖擊速度的增大，結(jié)構(gòu)峰值位移、殘余位移均增大，但含液結(jié)構(gòu)位移始終小于無(wú)填充結(jié)構(gòu)，位移減小量在15%～21%；

（3）在沖擊載荷作用下，隨含液量的增大，含液結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)呈現(xiàn)單調(diào)下降、阻尼比呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；當(dāng)芯體內(nèi)充滿液體時(shí)，結(jié)構(gòu)抗沖擊性能最優(yōu)，峰值位移較無(wú)填充結(jié)構(gòu)下降13.66%，阻尼比增大約1.6倍。