六边形形状记忆合金蜂窝材料面内变形特性的研究★

董琳 彭瑞岩 张琪 洪玉儒 吴鹤翔*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

作为一种理想的能量吸收材料，多胞材料的力学性能同时受基体材料的力学性能和内部微拓扑结构的影响。近年来，六边形蜂窝材料凭借微结构弹塑性屈曲和脆性断裂为特征的平台变形特性被广泛的应用于各种能量吸收装置中，成为研究热点之一。

Gibson和Ashby通过对六边形蜂窝材料单元孔穴的理论分析，给出了六边形蜂窝材料的基本力学参数［1］。Karagiozova和Yu研究了规则六边形蜂窝材料在面内双轴压缩条件下的塑性变形模式［2］。Zheng等采用数值模拟的方法研究了胞元的规则性和冲击速度对蜂窝材料变形模式和平台应力值的影响［3］。Zou等采用数值模拟的方法研究了不同冲击速度条件下，六边形蜂窝材料面内冲击压缩前端的变形特征［4］。

随着六边形蜂窝材料在工程领域的深入应用，以及工程要求的不断提高，形状记忆合金六边形蜂窝材料力学性能的研究有待进一步展开。本文采用形状记忆合金作为基体材料，分析研究了不同温度条件，面内冲击作用下，形状记忆合金六边形蜂窝材料的变形响应特性。

1 有限元模型

六边形蜂窝材料在面内冲击载荷作用下的计算模型如图1所示，六边形蜂窝材料模型置于底端固定刚性板之上，顶端刚性板沿着Y方向以某一初始速度冲击压缩六边形蜂窝材料。六边形蜂窝材料在X方向两端自由，沿Z方向设置固定约束以消除平面外的位移，保证模型处于平面应变状态。基体材料采用形状记忆合金，建立六边形形状记忆合金蜂窝材料。基体材料参数如表1所示。

图1 六边形蜂窝材料的计算模型

采用非线性有限元软件ABAQUS进行蜂窝材料面内冲击动力学特性数值模拟分析。选用S4R单元(4节点减缩积分壳单元)。为了保证计算精度，沿着壳的厚度方向定义5个积分点。在压缩过程中所有可能接触的表面定义为自由接触表面，接触摩擦系数为 0.2。

表1 六边形蜂窝材料的基体材料参数

2 分析和讨论

图2给出了不同冲击速度条件下，相对压缩量为0.3时，六边形形状记忆合金蜂窝材料在不同温度下的变形模式。如图2所示，在低速冲击(V=5 m/s)和中速冲击(V=30 m/s)条件下，与传统六边形蜂窝材料的变形模式不同，六边形形状记忆合金蜂窝材料的均匀变形，没有产生明显的“X”型和“V”型局部变形带。在低速冲击条件下，六边形形状记忆合金蜂窝材料的变形同时从冲击端和固定端启动，随着冲击压缩进程，材料中间层部分的变形量比两端略大，并先于两端发生压溃。在中速冲击条件下，六边形形状记忆合金蜂窝材料的变形从冲击端启动，随着冲击压缩进程，材料冲击端部分的变形量比固定端大，并先于固定端发生压溃。高速冲击(V=200 m/s)条件下，与传统六边形蜂窝材料的变形模式相同，六边形形状记忆合金蜂窝材料产生“I”型的局部变形带，表现为由冲击端启动并逐层压溃至固定端的变形模式。这是由于冲击速度超过“冲击波”波速导致惯性效应增强。此外，如图2所示，温度对六边形形状记忆合金蜂窝材料的变形模式影响很小，可以忽略不计。

图2 六边形形状记忆合金蜂窝材料在不同温度下的变形模式

3 结语

本文建立以形状记忆合金为基体材料的六边形蜂窝材料模型，研究了不同温度和冲击速度对六边形形状记忆合金蜂窝材料变形模式的影响。研究结果表明:与传统六边形蜂窝材料的变形模式不同，在低速和中速冲击条件下，六边形形状记忆合金蜂窝材料的变形模式没有明显的初始变形带，表现出相对均匀的变形特性。此外，温度对六边形形状记忆合金蜂窝材料变形模式的影响很小，可以忽略不计。本文的研究为进一步开展蜂窝材料基体材料和微结构耦合设计提供了理论依据。