铝合金波纹夹层板在低速冲击下的耐撞性研究*

潘 晋 吴天昊 周初阳 许明财

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430000) (华中科技大学船舶与海洋工程学院2) 武汉 430000)(武汉力拓桥科防撞设施有限公司3) 武汉 430070)

铝合金波纹夹层板在低速冲击下的耐撞性研究*

潘 晋1)吴天昊1)周初阳1)许明财2,3)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430000) (华中科技大学船舶与海洋工程学院2)武汉 430000)(武汉力拓桥科防撞设施有限公司3)武汉 430070)

基于数值模拟仿真方法，讨论了撞击速度、波纹核形状与界面连接情况对铝合金波纹夹层板的耐撞性的影响.计算结果表明，在撞击速度较低时波纹夹层板有很好的缓冲效果，撞击速度小于5 m/s时撞击力峰值不会有太大波动；波纹核形状为三角形的波纹夹层板的吸能保护效果优于波纹核形状为梯形与弧形的夹层板；撞击速度小于4.3 m/s时，夹芯层与上层面板未连接时的撞击力峰值要小于连接时的情况但会出现较大的变形，而撞击速度大于4.3 m/s时夹芯层与上层面板未连接时的撞击力大于连接时的情况，且撞击速度越大两者差距越大.

波纹夹层板；耐撞性；波纹核形状；撞击速度；界面连接

0 引 言

夹层板结构与普通的加筋板相比具有密度小、耐腐蚀性强、结构形式简单而制作成本低等优点[1-2].夹层板按照夹芯类型可分为蜂窝式、折叠式、混凝土夹层板等.折叠式夹层板，又称为波纹夹层板(corrugated sandwich plate,CSP)，其夹芯层为平板或薄壁结构[3-5].国内外已经有多位学者与机构对夹层板在工作时的吸能或撞击力等做过研究.Liu等[6]做了夹层板在局部冲击下的弹塑性动态响应的研究；张延昌等[7]对折叠式V形夹层板在横向压皱载荷下的吸能特性进行了研究并提出了两种单元变形模式；周初阳[8]对波纹夹层板进行了落锤冲击实验，获得在局部冲击载荷作用下的损伤变形模式与撞击力时序曲线后与ANSYS有限元计算结果进行了对比.Tilbrook等[9]对折叠式夹芯层结构动态压溃响应进行了试验研究并且进行了数值仿真的对比分析.

现阶段鲜有文章对铝合金材料波纹夹层板在夹芯层形式不同、初始撞击速度不同、连接条件不同等情况下的耐撞性能比较研究.文中将以铝合金材料波纹夹层板为研究对象,利用LS-DYNA模拟冲头冲击过程，分别讨论波纹夹层板在夹芯层形式不同、撞击速度不同、界面连接情况不同的条件下的耐撞性能即撞击力、吸能效果和损伤特性等，并对结果进行比较分析.

1 波纹夹层板的数值模型

1.1 波纹夹层板的尺寸与形式

通过有限元软件模拟折叠式夹层板受横向冲时动态效应，将夹层板周边约束，用刚性冲头垂直撞击夹层板中心位置.在夹层板的底部，增加一刚性底板来模拟夹层板后面保护的桥墩等结构.

夹层板的具体结构尺寸见表1.波纹夹层板的夹芯部分选用目前最常见的三角形.刚性冲头的截面为30 mm×100 mm的矩形，高度为150 mm，质量为63 kg.图1为波纹夹层板与冲头的结构示意图.撞击速度选取较小的2，3.5，5 m/s.

表1 夹层板结构尺寸 mm

图1 夹层板与冲头结构尺寸

1.2 单元、材料与网格控制

波纹夹层板的上下面板及夹芯层均为5052铝合金材料，采用与应变率相关的各项同性材料模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC),它是各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型，可考虑失效.应变率对材料屈服强度的影响采用Cowper-Symonds本构方程来表达，即

(1)

(2)

由文献[10]可知，5052铝合金对应变率不是很敏感，在不同应变率下应力-应变关系不会有明显改变，文中不考虑应变率对材料的影响.材料参数分别为：密度ρ=2 700 kg/m3,泊松比μ=0.34，初始屈服应力σ0=59.8 MPa,弹性模E=68.9 GPa.撞击是一个动态响应过程，有限元模型必须严格控制网格密度，既要防止单元尺寸过大引起的主从面单元互相穿透，又要避免单元尺寸过小引起的计算时间过长.因此在撞击区域对网格进行加密，网格大小2 mm，其他区域网格大小5 mm，冲头网格大小2 mm.

1.3 接触设置和边界条件

将刚性冲头与夹层板之间的接触定义为面面接触.将刚性冲头定义为接触面，夹层板定义为目标面.当结构受到冲击时，其内部自身会互相接触.因此，要避免相互现象，夹层板内部需定义自接触.在边界条件上，对夹层板的四边节点进行全约束处理.

2 冲击速度对夹层板耐撞性的影响

2.1 结构损伤变形

图2为波纹夹层板在三组速度下的变形云图，位移的具体数值见表2.由图2可知，撞击过程中的最大变形都发生在冲头撞击区域，且离撞击区越近，变形也就越大，同时撞击速度越大变形也越明显，上层面板的变形在三种撞击速度下均略大于夹芯层变形.

图2 不同速度下夹层板变形云图

位移/mm速度/(m·s-1)23.55上层面板最大位移9.0917.4829.47夹芯层最大位移 6.1114.6521.78

2.2 撞击力

图3 撞击力时序曲线

图3为波纹夹层板在三组撞击速度下的撞击力时序曲线.由图3可知，在不同三种速度下的撞击力峰值几乎没有变化.撞击速度2 m/s时撞击力峰值为17.7 kN；撞击速度为3.5 m/s时撞击力峰值为18.6 kN；撞击速度为5 m/s时撞击力峰值为18.7 kN.这表明在夹层板未失效时，撞击速度的变化对撞击力峰值的影响较小.比较撞击力的变化趋势，总体来说都是冲头与夹层板接触后瞬间达到峰值之后衰减，持续约0.013 s左右.不同的是撞击速度为5 m/s时在0.009 s左右开始撞击力会有明显增大到0.01 s产生第二个峰值，数值上与第一个峰值相差不大.这是因为在撞击速度较小时夹层板的主要变形为较小的塑性变形，结构整体刚度较小.而在较大的撞击速度下，结构的变形达到一定程度后结构被压缩从而刚度变大，撞击力重新开始增大.

2.3 能量吸收

在冲头撞击夹层板的过程中，冲头的动能大部分会转化为夹层板结构的弹性变形能、塑性变性能，另外有小部分会转化为热能与沙漏能量.图4为波纹夹层板的上面板、夹芯层与下面板在三组速度下的能量吸收时序曲线.由图4可知，上层面板与夹芯层部分吸收绝大部分能量，夹芯层部分吸收的能量又大于上层面板，而下层面板只吸收极小部分能量.在不同撞击速度下，各部分吸收能量的比例不同.上层面板与下层面板吸收能量的比例会随着撞击速度增大而增大，夹芯层则相反.各构件在不同速度下的吸能占比见表3.

图4 能量吸收时序曲线

吸能占比/%速度/(m·s-1)23.55上层面板31.240.444.9夹芯层 67.557.152.6下层面板1.32.52.5

3 波纹核形状对夹层板耐撞性的影响

3.1 夹层板结构形式

为减少其他因素对夹层板耐撞性的影响，夹层板的结构参数不变，仅改变波纹核的形状.三种夹芯层选用波高和波长相同的波纹核，见图5.

图5 夹芯层部分波高与波长

3.2 计算结果与分析

图6为三种波纹核的夹层板在2，3.5和5 m/s下的撞击力峰值对比.由图6可知，不论是哪种速度下，波纹核为三角形的夹层板撞击力峰值都最小，缓冲效果最好；只有在撞击速度为2 m/s时梯形的撞击力峰值小于弧形，撞击速度为3.5和5 m/s时都大于弧形.撞击速度增大时，波纹核为梯形与弧形的夹层板撞击力峰值都会有较大增加而波纹核为三角形的夹层板的撞击力峰值只有略微增加，总体稳定在18 kN左右.

图6 撞击力峰值柱状图

图7为三种波纹夹层板在撞击速3.5 m/s时上层面板与波纹核的产生最大变形时的变形云图.三者的最大位移都在20 mm左右，其中波纹核形状为三角形的夹层板最小，为17.48 mm；波纹核形状为弧形的夹层板最大，为20.89 mm；波纹核形状为梯形的最大位移17.67 mm.

图7 波纹夹层板上面板变形云图

图8为三种波纹核的夹层板在2，3.5,5 m/s下的吸能对比.在撞击过程中，冲头的大部分能量都转化为夹层板结构的变形能.从柱状图来看，三者的吸能近乎一样，只有极小差别.不论在哪个速度下，波纹核为三角形的夹层板吸能都是最多的，且随着速度的增大，其他夹层板与其的差距更为明显.在变形上，波纹核为三角形的夹层板反而是最小的，证明该类型夹层板的吸能效率较高.

图8 吸能柱状图

4 界面连接形式对夹层板耐撞性的影响

4.1 界面连接形式

除了波纹核的形状，夹芯层与上下面板的连接情况对波纹夹层板的耐撞性也有着较大影响.在实际中，界面连接除了连接与不连接外还有部分连接的情况，在文中中仅讨论夹芯层与上下面板连接与不连接两种情况.

选用波纹核为三角形的夹层板，在2，3.5和5 m/s三组撞击速度下比较夹芯层与上下面板连接与未连接两种情况时的撞击力、结构损伤变形与能量吸收.在有限元模型的处理上，夹芯层与上层面板采取共节点连接来模拟焊接情况；夹芯层与上层面板不共节点连接来模拟不焊接的情况.

4.2 计算结果分析

图9为两种界面连接情况时夹层板在三组撞击速度下的撞击力时序曲线图.

图9 撞击力时序曲线

由图9可知，在撞击速度为2和3.5 m/s时，夹芯层与上下面板未连接时的撞击力峰值要小于夹芯层与上下面板连接时的峰值.但是持续时间要长得多，几乎是连接时的两倍.但当撞击速度增大到5 m/s时，未连接时的撞击力峰值会猛然升到67.8 kN，要远大于连接时的峰值.这是因为界面未连接时，夹层板的刚度远小于界面连接时的刚度.当撞击速度较小时，夹层板可以通过自身的变形来吸收冲头的动能.而当撞击速度大于某个值的时候，夹层板结构自身的变形达到了极限也不能完全吸收冲头的动能，使得冲头撞击到夹层板下面的刚性底板，撞击力激增.

表4为两种连接情况下，夹层板上面板在撞击过程中产生的最大位移.从表中可以看到不管是哪种撞击速度下，界面未连接时的最大位移都要大于界面连接时的最大位移.注意到夹芯层高度为50 mm，而撞击速度为3.5 m/s及以上时的变形几乎达到下面板.

表4 夹层板上面板的最大位移

为了探究在不同速度下界面连接与未连接时撞击力峰值的变化，又取了几组撞击速度来进行有限元模拟.图10为在不同速度下，夹层板的界面连接与未连接时的撞击力峰值.从图中可以看到当撞击速度小于4.3 m/s时，界面未连接时的撞击力峰值要小于界面连接时的撞击力峰值，而撞击速度大于4.3 m/s时则相反.

图10 不同界面连接时的撞击力峰值

撞击速度从3.8 m/s增加到5 m/s的过程中，界面连接时的撞击力峰值一直稳定在20 kN左右.而界面未连接的情况下，当撞击速度大于4.3 m/s时，撞击速度的每次细微变化都会引起撞击力峰值的巨大变化.可以认为当撞击速度大于4.6 m/s时，界面未连接的夹层板已经几乎失去了保护效果.

5 结 论

1) 对不同的低速冲击载荷，夹芯层与上下面板连接的铝合金夹层板在撞击过程中产生的撞击力峰值相差不大，夹芯层为主要的吸能构件.

2) 在三角形、梯形、弧形三种波纹核形状的夹层板中，三角形的夹层板吸能效果最好.

3) 撞击速度小于4.3 m/s时，夹芯层与上下面板未连接的铝合金夹层板的撞击力峰值要小于连接时的情况；而当撞击速度大于4.3 m/s时，界面未连接的夹层板撞击力增加极快，可以认为当撞击速度大于该值时，界面未连接的夹层板已经几乎失去了保护效果.

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Study on Aluminum Alloy Crashworthiness of Corrugated Sandwich Plate under Low Speed Impact

PANJin1)WUTianhao1)ZHOUChuyang1)XUMingcai2,3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430000,China)1)(SchoolofNavalArchitecture&OceanEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430000,China)2)(WuhanLituoBridgeProtectionTechnologyCo.Ltd.,Wuhan430070,China)3)

Based on the numerical simulation method, the influences of the impact velocity, the shape of the corrugated core and the interface connection on the crashworthiness of the aluminum alloy corrugated sandwich plate are discussed. The results show that the corrugated sandwich plate has a good cushioning effect when the impact speed is low. And the peak value of impact will not fluctuate too much when the impact speed is less than 5 m/s. In addition, the energy absorption effect of corrugated sandwich plate with triangular corrugated core is better than that of trapezoidal or curved corrugated core. When the impact velocity is less than 4.3 m/s, the separation between sandwich layer and the upper panel results in a smaller peak value of impact force compared with the connected situation, but there will be a larger deformation. When the impact speed is greater than 4.3 m/s, the impact force of sandwich plate with separated layers is greater than that of connected layers, and the gap will be gradually widened with the increase of impact velocity.

corrugated sandwich plate; crashworthiness; corrugated core shape; impact velocity; interface connection

U661.4

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.008

2017-10-20

潘晋(1978—)：女，博士，副教授，主要研究领域为工程结构与力学

*国家自然科学基金青年基金项目(51609192)、中央高校基本科研业务费专项资金(2017IVB007)、浙江省近海海洋工程技术重点实验室开放基金项目(ZJOELAB-1602)资助