雙層蜂窩夾芯復合材料板在爆炸沖擊下的動態(tài)響應(yīng)試驗

摘 要：【目的】探究雙層蜂窩復合材料板的抗爆炸沖擊性能。【方法】采用LS-DYNA有限元分析和試驗方法，以兩種不同材料（玻璃纖維、凱夫拉）作為蒙皮與Nomex蜂窩芯組成雙層串聯(lián)蜂窩夾芯材料，并以其為研究對象，對沖擊波毀傷靶板的動態(tài)響應(yīng)過程進行研究，與試驗結(jié)果進行比對分析?！窘Y(jié)果】得到了靶板在沖擊波作用下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)及吸能情況。【結(jié)論】蜂窩是主要的吸能部件，凱夫拉板的毀傷情況更嚴重。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；雙層夾芯結(jié)構(gòu)；抗爆性能；復合材料

中圖分類號：TB33" " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編號：1003-5168（2024）10-0079-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.016

Dynamic Response Test of Double-Layer Honeycomb Sandwich CompositePanels to Blast Impacts

XIANG Junjie XU Zhihong CHEN Tao

（Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210000， China）

Abstract：[Purposes] This study aims to investigate the blast resistance performance of double-layer honeycomb composite panels.[Methods] The finite element analysis using LS-DYNA and experimental methods were employed to study the dynamic response of the target panels to blast waves， using two different materials （glass fiber and Kevlar） as skins combined with Nomex honeycomb to form double-layer tandem honeycomb sandwich materials， which are taken as research objects. The dynamic response data and energy absorption of the target panels under the impact of blast waves were obtained and compared with experimental results.[Findings] The study provided data on the dynamic response and energy absorption of the target panels under the impact of blast waves.[Conclusions] The honeycomb structure is the main energy-absorbing component， with the Kevlar panel showing more severe damage.

Keywords： numerical simulation; double-layer sandwich structure; blast resistance; composite materials

0 引言

人類對芯材的使用已有數(shù)個世紀的歷史。20世紀40年代首次出現(xiàn)了復合夾芯結(jié)構(gòu)材料，其方式是將兩層“蒙皮”材料與低密度的“芯材”組合，以增強整體彎曲強度和減輕重量。最初，復合夾芯結(jié)構(gòu)材料僅在對重量要求極為嚴格的領(lǐng)域（如航空和航天器）中應(yīng)用。碳纖維和芳族聚酞胺纖維增強材料的價格下降，以及聚酯、環(huán)氧和熱塑性樹脂的品種和質(zhì)量的不斷提高，為更多新型夾層復合材料的研發(fā)、應(yīng)用提供了有利條件。近年來，隨著對蜂窩材料性能要求的不斷提高，以及層合板制造工藝的提升，出現(xiàn)了雙層蜂窩夾芯復合材料板。

在實踐中，由于熱固性和熱塑性制成的蜂窩夾芯板的剛性大、質(zhì)量輕［1］，在海運、空運行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。蒙皮和蜂窩結(jié)構(gòu)的復雜性使得夾層結(jié)構(gòu)的沖擊反應(yīng)和破壞機制也非常復雜。張廣成［2］研究了膠膜、鋪層方式，以及界面缺陷對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的力學性能影響，對比了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的面板與疊層板的性能。Wang等［3］研究了蜂窩材料面內(nèi)的力學性能。Zhu等［4］描述了蜂窩結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下變形分為三個階段，分別對應(yīng)于前端面變形、芯體壓潰，以及整體結(jié)構(gòu)彎曲和拉伸。楊森等［5］研究了蜂窩幾何參數(shù)對其抗爆性能的影響，并描述了失穩(wěn)過程中的應(yīng)力變化情況。

1 靶板沖擊波毀傷試驗

1.1 設(shè)備介紹與試驗方案

本試驗?zāi)康氖茄芯侩p層夾芯靶板在爆炸沖擊下的動態(tài)響應(yīng)。靶板為1 m×1 m的正方形雙層蜂窩復合夾芯板，厚度約為40 mm，由上、下兩層Nomex蜂窩芯和三層蒙皮組成，蒙皮的材料是玻璃纖維（GFRP）和凱夫拉（Kevlar）。其中，蜂窩的形狀為正六邊形，正六邊形的外直徑約為8 mm，蜂窩壁厚為0.1 mm，高度為19 mm。試驗板件的實物與剖解圖如圖1、圖2所示。

除了靶板外，試驗用到的主要設(shè)備包括：超壓傳感器、電荷放大器、信號采集器、電雷管測試儀器、起爆器、高速攝像機等。在炸藥量1 kg炸點到靶板的距離，擬采用計算超壓值為0.2、0.4 MPa 的位置進行超壓試驗。計算超壓值公式為式（1）。

[Δp=0.84WTNT3R+2.7WTNT3R2+7.0WTNT3R3] （1）

式中[：WTNT]為等效TNT當量；[R]為爆炸距離。

試驗主要分為以下幾個步驟：靶場布置、儀器設(shè)備調(diào)試、炸藥安裝、起爆裝置安裝、沖擊波試驗及數(shù)據(jù)記錄、剩余炸藥現(xiàn)場銷毀。試驗前，根據(jù)試驗條件，稱量1.0 kg的TNT炸藥并壓縮成TNT藥柱，存放于彈藥暫存間，由專人負責保管。TNT裸裝點距離地面高度為1.5 m，支架設(shè)置在地面上并連接牢固，以減少對殼體膨脹和碎片飛散過程的影響。試驗天線罩靶板中心點距離地面高度1.5 m，靶板相對于炸藥中心呈圓環(huán)形狀布置，以炸藥位置為圓心，在半徑為1.5、2.0 m的同心圓上布置兩個超壓傳感器，每個傳感器間隔90°，傳感器高度也為1.5 m。采用超壓傳感器，將炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆炸沖擊波壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號適調(diào)儀輸入數(shù)據(jù)采集儀，由壓力傳感器的靈敏度和信號傳輸，記錄系統(tǒng)的放大倍數(shù)，計算出沖擊波超壓時程（沖擊波超壓一時間曲線），確定峰值超壓，根據(jù)測點峰值超壓和位置計算炸藥爆破威力。靶板、超壓傳感器、加速度傳感器布置示意如圖3所示。其中PT板的蒙皮材料為GFRP，F(xiàn)D板的蒙皮材料為Kevlar。沖擊波試驗現(xiàn)場如圖4所示。

1.2 設(shè)備介紹與試驗方案

爆炸沖擊試驗得到的靶板的峰值加速度見表1。

根據(jù)沖擊波毀傷試驗得到的結(jié)果，試驗最大超壓為 0.359 MPa，靶板最大加速度為13 168 g。試驗板件損傷主要表現(xiàn)為入射面分層、邊角毀傷，Kevlar靶板的損傷程度比GRFP靶板嚴重。邊角損傷情況如圖5所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型介紹

建立雙層蜂窩夾芯復合材料板數(shù)值模型，采用部分建模方法，對整體模型取兩次對稱，建立1/4模型，具體的模型如圖6、圖7所示。

靶板的蒙皮部分采用LS-DYNA材料關(guān)鍵字*MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE_（054），同時定義chang-chang失效準則以及最大應(yīng)變失效準則。模型共有上、中、下三層蒙皮，均采用0/90°鋪層設(shè)計，其中上、下蒙皮有8層，中蒙皮有12層，每層厚度均為0.1 mm。蜂窩部分采用彈性材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC_（003）并配合使用*MAT_ADD-EROSION定義損傷。復合材料蒙皮面板與蜂窩之間采用關(guān)鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK模擬結(jié)構(gòu)間黏結(jié)作用，蒙皮單元大小為5 mm×5 mm×0.1 mm。靶板在對稱面上采用對稱約束，其余均采用全約束模擬靶板夾具的固定作用。

具體材料數(shù)據(jù)見表2、表3。

由于爆炸距離較遠，如果完整建立炸藥、空氣爆炸場，并使用流固耦合算法進行模擬，需要大量的計算資源。故本研究不定義空氣域，采用LS-DYNA關(guān)鍵字*LOAD_BLAST_ENHANCED定義沖擊波荷載。該關(guān)鍵字只需設(shè)置TNT質(zhì)量和爆心位置，計算速度快。在大當量工況下，這種載荷施加方式求解中遠距離下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)精度較高。沖擊波入射壓力[Pinc]和反射壓力[Pref]滿足Friedlander方程式（2）.

[Pinc=Ps（1-τ）e-ατPref=Pr（1-τ）e-βτ]" （2）

式中[：Ps]為超壓峰值；通過超壓最大值[P1]減初始壓力[P0]得到，[Pr]通過[2P1≤Pr≤13P1]得到，同時，用相對距離[r]描述沖擊波參數(shù)，計算公式見式（3）。

[r=Rmw3] （3）

式中：[R]為測點到炸藥爆炸中心之間的距離；[mw]為爆炸物[TNT]等效當量。結(jié)合關(guān)鍵字*LOAD_BLAST_SEGMENT_SET定義入射面超壓接收層。仿真計算時間設(shè)為2 ms。

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 動態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果。爆炸沖擊波于1.2 ms時到達模型面板，一開始模型整體發(fā)生正向變形，邊緣處的位移變化不大，沖擊波作用下位移逐漸向中心堆疊增加至最大值。隨著變形增大，在模型的邊緣及背板部分出現(xiàn)面板層的分層破壞，由于固定支座與沖擊波的作用，蜂窩在制作邊緣發(fā)生剪切破壞。在T=1.6 ms時，第一層蜂窩距離固定支座約0.05 m處出現(xiàn)了壓潰的現(xiàn)象，隨著撓度增加，蜂窩壓潰范圍逐漸向模型邊緣、向上發(fā)展。在T=2.0 ms時，蜂窩的損傷范圍達到了整個橫截面的20％，且第一層蜂窩損傷程度大于第二層蜂窩，在該范圍內(nèi)蜂窩的分層破壞也最為明顯。在爆炸沖擊波的作用下，復合材料層間界面瞬間承受了極高的壓力，超過了層間界面的承受能力，導致界面開裂，同時沖擊波會在復合材料內(nèi)部產(chǎn)生復雜的應(yīng)力波動，包括折射波、反射波、散射波等，這些波動可能在某些部位形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致新的局部破壞的出現(xiàn)，加劇了分層破壞。

面板最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊緣處且未達到極限強度，但中部由于纖維拉伸達到最大應(yīng)變出現(xiàn)單元失效，上、下層蜂窩在邊緣處出現(xiàn)壓潰。背板應(yīng)力集中在中部，總體應(yīng)力小于面板，未出現(xiàn)單元失效。通過Ls-Prepost后處理得到靶板的加速度時程曲線及超壓時程曲線，并與試驗結(jié)果進行對比，如圖8、圖9所示。

數(shù)值模擬得到背板中心加速度峰值為12 603.5 g。由圖9可知，沖擊波陣面抵達背板后，板件迅速得到沿沖擊波方向的最大加速度，隨后，迅速回落到0 g以下。經(jīng)過了大約2.3 ms的、在0 g附近的震蕩，震蕩波峰逐漸減小，這種震蕩是沖擊波在夾芯板內(nèi)沿著厚度方向來回反射形成的壓縮波和拉伸波造成的。在氣體沖擊的過程中，與另一側(cè)的沖擊波在結(jié)構(gòu)中交匯引發(fā)能量碰撞，引發(fā)的反射波沿著各自的反方向傳播對結(jié)構(gòu)造成了拉伸效應(yīng)。隨后，板件釋放由動能轉(zhuǎn)換的彈性勢能開始進行反向加速，于4 ms左右曲線下降到最大負加速度，為21 614 g，負向的加速度峰值比正向加速度峰值大71.5％，隨后，曲線再次回落，整個板經(jīng)過振動后恢復到靜態(tài)。對比數(shù)值模擬與試驗結(jié)果，正向加速度峰值誤差為4.5％，驗證了試驗結(jié)果的可靠性。

2.2.2 對雙層蜂窩復合材料板吸能性能的分析。通過后處理得到雙層蜂窩復合材料板各部分結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波荷載吸能性能時程曲線，其中模型對1 kg、1.5 m爆炸產(chǎn)生的沖擊波荷載的GFRP板吸能曲線如圖10所示。

當沖擊波到達雙層蜂窩夾芯板時，此時能量主要分為內(nèi)能和動能，動能通過板件的位移進行傳輸。面板蒙皮最快做出吸能響應(yīng)，它承受并分散了沖擊波的直接沖擊，此時部分能量被反射回去，其余的能量進入板件的內(nèi)部。蜂窩的主要吸能機理是利用蜂窩胞元結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時產(chǎn)生彎曲和壓縮形變，能量沿著胞壁高度方向進行傳播。獨特的雙層結(jié)構(gòu)相對于單層蜂窩，可以使能量在傳播過程中在兩層蜂窩之間進行多次的反射，加強了能量的吸收效率。兩層蜂窩結(jié)構(gòu)之間的蒙皮隔板可以提供額外的緩沖和能量吸收，從而進一步提高材料的抗沖擊能力，降低了其對其他構(gòu)件的破壞。各部件能量的5條曲線大致可分為3組：蜂窩組、外側(cè)蒙皮組、中層蒙皮組，其中蜂窩組的吸能表現(xiàn)最明顯，其次是上、下兩層蒙皮，中層蒙皮的吸能行為最差。在到達最大總能量之后，其內(nèi)部的能量依然在變化，在隨后的幾微秒內(nèi)，會發(fā)生動能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，以及各構(gòu)件能量的相互輸送，使得各構(gòu)件的能量趨近于相同。

各構(gòu)件能量吸收堆積如圖11所示。由圖11可知，隨著沖擊波能量的增高，板件吸收的總能量也在不斷提升，分析其吸能占比發(fā)現(xiàn)，面板、背板的能量占比幾乎相等，上、下層蜂窩的能量占比也相等，兩個蜂窩層加起來的吸能約為50％。3個蒙皮層中，中層蒙皮的吸能占比略少于上、下層蒙皮。隨著沖擊波能量的增加，蜂窩的吸能占比逐漸減少，蒙皮的吸能占比逐漸增加，在沖擊波超壓達到0.4 MPa時，蜂窩的吸能占比僅有43％。在較低能量的沖擊波作用下，蜂窩是首要的吸能部件，隨著沖擊波能量的提升，蜂窩通過壓縮形變吸收部分能量，其余能量由蒙皮通過拉伸形變的方式吸收。對比兩種靶板的吸能發(fā)現(xiàn)，GRFP的吸能效果更好。

3 結(jié)論

①通過試驗與有限元模擬證明：本研究使用的雙層蜂窩復合材料層合板能夠抵抗1 kgTNT在1.5 m爆炸所產(chǎn)生的沖擊波荷載，并未出現(xiàn)過大變形及結(jié)構(gòu)性破壞，能有效吸收沖擊波能量。

②雙層蜂窩復合材料夾芯板的主要損傷模式是蜂窩在支座附近出現(xiàn)塑性變形，蒙皮出現(xiàn)入射面的層裂。

③在沖擊波能量較低的情況下，蜂窩是主要的吸能構(gòu)件，當蜂窩被壓縮后蒙皮開始吸收能量。GRFP靶板相對于Kevlar會產(chǎn)生更大的彎曲變形，同時也會吸收更多的能量。

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