不同冲击速度对铝蜂窝板冲击动力响应的影响

孙国恩，宋相军

(1.吉林大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130022；2.长春市正通科技开发有限公司，吉林 长春 130022)

1 引 言

在过去的几十年中，人造铝蜂窝板因具有质轻、良好的能量吸收能力和隔声等优异的特性而广泛应用于航空航天、交通运输、建筑等领域[1-3]。在这些领域的实际使用中，对结构力学特性有着严格的要求。

目前，大量学者对蜂窝结构的力学特性进行了研究。石珊珊等研究了Kevlar短纤维增韧碳纤维/铝蜂窝夹芯板三点弯曲与面内压缩性能[4]。郑吉良等通过材料试验机对等腰梯形蜂窝芯进行面外压缩性能的试验测试与模拟[5]。贾培奇等研究了不同高度尺寸对正六边形商用铝蜂窝面外力学性能的影响[6]。罗昌杰等研究了金属蜂窝在静态异面压缩及冲击加载下平均压缩力学的理论模型[7]。

由于蜂窝结构的多样性，主要包括结构、几何参数和材料的不同，给其力学分析增加了很大的难度。本文主要通过ABAQUS/Explicit有限元仿真软件模拟不同冲击速度对铝蜂窝结构板结构动力响应特性的影响，主要从等效塑性应变、能量吸收特性方面对其进行分析，旨在为相关研究提供借鉴和指导。

2 铝蜂窝板冲击动力响应的数值模型

2.1 有限元模型

在铝蜂窝板冲击过程中，采用ABAQUS/Explicit的动态显示算法计算其动力响应。图1是铝蜂窝板在ABAQUS中的有限元冲击模型，其中，刚性球的半径为10mm，上铝板和下铝板都是由长72.7mm、宽66mm的矩形面板构成，铝蜂窝芯是一个7×7大小的正六边形(即X和Y方向都有7个蜂窝单元)组成，边长和厚度都为6mm。

图1 铝蜂窝板冲击的有限元模型

铝板和铝蜂窝选用S4R具有4节点曲面薄壳或厚壳减缩积分单元进行模拟。在冲击过程中，刚性球不发生变形，故选用刚性单元C3D4进行模拟。C3D4是具有4节点显式线性刚体单元。由于刚体单元在模拟中不计算单元层次，可以有效缩短计算时间。

2.2 材料模型

由于铝合金A5052具有良好的焊接性和可塑性，常用于航空航天、交通运输、建筑等领域[8]。为此，本文中蜂窝材料使用A5052，蜂窝材料和刚性球参数见表1。在数值模拟过程中，采用Johnson-Cook材料模型，具体的模型参数见表2。

表1 A5052和刚性球的参数

表2 A5052的Johnson-Cook材料模型参数

3 结果与讨论

3.1 等效塑性应变特性

图2是铝蜂窝上表面板在不同冲击条件下的等效塑性应变云图。图3是铝蜂窝芯在不同冲击条件下的等效塑性应变云图。表3是从图2和图3中总结出来的铝蜂窝破坏情况表。可以看出，随着冲击速度的增大，上表面铝蜂窝板和铝蜂窝芯的最大等效塑性应变也随之增大。当冲击速度为5m/s时，铝蜂窝上表面板和铝蜂窝芯均未发生破损和断裂；当冲击速度为10m/s时，铝蜂窝上表面板未发生破损和断裂，但铝蜂窝芯局部等效塑性应变达到材料的塑性极限，从而使该区域发生破损；当速度继续增大到20m/s时，铝蜂窝上表面板和铝蜂窝芯由于局部等效塑性应变都达到材料的塑性极限，所以其局部区域均发生破损和断裂。

表3 铝板和铝蜂窝芯在不同冲击速度下的破坏情况

图2 上表面铝板等效塑性应变云图

图3 铝蜂窝芯等效塑性应变云图

3.2 能量吸收特性

对于铝蜂窝板而言，能量吸收特性对其具有重要意义。当铝蜂窝板在受到冲击时，刚性球的初始动能主要被铝蜂窝芯以内能的形式吸收。表4是ABAQUS中得出的铝蜂窝板能量吸收特性表。从表中可以看出，随着冲击速度的增大，铝蜂窝板的吸收能量也随之变大，但是铝蜂窝板的总体能量吸收率变小，这是因为随着刚性球冲击速度的增大，导致铝蜂窝芯的破坏越来越严重，当冲击能量达到一定程度时，铝蜂窝芯的吸收能量也将达到一定的极限值，从而使总体的能量吸收率降低。

表4 铝蜂窝板在不同冲击速度下的能量吸收特性

虽然铝蜂窝板比一般的板材有较好的吸能效果，但是当其吸收能量达到一定值时，其总体的能量吸收率也将降低。为此，在使用铝蜂窝板时，需要对其总体的能量和所能吸收的能量进行评估，以便能达到其使用安全性能要求。

4 结 论

本文研究了铝蜂窝板在不同冲击速度下的等效塑性应变和能量吸收特性。数值模拟结果表明，当冲击速度为5m/s时，铝板和铝蜂窝芯均未受到破坏；当冲击速度达到10m/s和15m/s时，铝板未受到破坏，但铝蜂窝芯受到破坏；当速度达到20m/s时，铝板和铝蜂窝芯均受到破坏。与此同时，随着冲击速度的增大，最大等效塑性应变和吸收的能量随之增加，但是总体的能量吸收率在下降。