铝蜂窝夹芯板抗冲击强度指标分析

王维峰，石卫兵

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，山东 青岛 266111）

铝蜂窝夹芯板是一种以正六边形蜂窝铝材料作为芯层，钢板材料作为面板设计制作成的复合结构材料，这种结构既能发挥蜂窝结构自身优良的性能，也解决了纯蜂窝铝强度低的问题。蜂窝材料作为多孔材料，具有优良的吸能、隔热、降噪以及抗冲击等特点[1，2]，同时具有比强度大和比刚度大的特性，因此在轨道列车、飞机制造上均有广泛应用。

建筑材料的抗冲击能力是评价其品质的重要指标。在选择产品材料和进行产品设计时，冲击强度往往起着决定性作用。许多材料诸多性能优越，但并不受欢迎，其主要原因是在规定的冲击负荷下有脆性断裂的风险，因此对铝蜂窝夹芯板进行抗冲击性能的研究显得尤为重要。

对铝蜂窝板的抗冲击试验一般以落锤与落球冲击为主[3-6]，二者有共同特点，即不同材料产生裂痕所需能量不同，试验时若球（锤）重量不变，则可在不同高度下进行试验，从而获得不同冲击速度。其中落锤冲击试验具有加载过程平稳、可靠性高、测量手段直接等优点，并可以直接获得冲击力的时程曲线，而落球对铝蜂窝夹芯板冲击力的测量目前多通过数值模拟的手段来进行。如王堃[8]等利用ANSYS有限元软件模拟分析了小球低速冲击对蜂窝铝板的损伤变形，以及在冲击条件不变的情况下，研究了蜂窝铝板结构参数（蜂窝芯边长、蜂窝芯壁厚、蒙皮板厚）对冲击变形以及吸收能量的影响。郑华勇[9]等利用瞬态动力学分析软件对提出的一种新型夹芯板进行数值计算，得出芯子密度为0.1时整个结构的抗冲击能力最强的结论。夏志成通过落锤冲击试验对钢板夹泡沫铝夹芯板进行试验研究，测得了上、下面板的变形值，却没有采用试验的方式测取冲击力。目前仅通过试验方法测得冲击力的研究少之又少，本文通过规格相当的落锤、落球试验相结合的方式，研究铝蜂窝夹芯板落球冲击产生的凹痕深度与冲击力大小以及落球自由落体高度三者之间的关系具有十分重要的意义。

1 试验研究

1.1 试验设计

试验采用的夹芯板长250mm，宽200mm，上、下面板分别为厚度1mm及0.5mm的低合金高强度钢板。其中夹芯板的几何尺寸见表1，钢板与蜂窝铝的接触面采用环氧树脂与固化剂按照一定比例混合粘结而成。

表1 钢板铝蜂窝夹芯板的材料参数

1.2 加载系统及测试方法

落锤、落球试验加载及测量仪器的布置见图1、图2。夹芯板采用强力磁铁块固定在测试设备基座上。冲击落锤总质量为2.6kg，锤头直径为50mm，落锤冲击高度分别为0.45m、0.4m、0.3m；落球质量为0.5kg，落球直径与落锤锤头直径一致，落球冲击高度分别为2m、1.7m、1.4m。

图1 落锤试验装置

图2 落球实验装置

凹痕的采集使用激光位移传感器（量程为8mm，精度为0.001mm），冲击力的测试使用实时数据采集分析系统，从而获得整个碰撞过程中冲击力的时程曲线。

1.3 数据处理方法

由于橡胶层的存在，落锤和落球对蜂窝夹芯板的二次冲击影响可以忽略不计。凹痕深度的采集在揭除橡胶层清理凹坑后进行，重复测量三次，取最大值作为凹痕深度。同时以采集系统测得的冲击力时程曲线的峰值最大值作为落锤冲击力点绘制成图。

2 试验结果及分析

2.1 落锤冲击试验结果

落锤冲击后，冲击高度与测得的上面板中心点凹陷值（凹痕深度）的关系见图3。

图3 落锤高度与上面板凹痕深度的关系曲线

由图3可见：在落锤高度为0.3m～0.4m时，芯材蜂窝铝处于线弹性阶段，落锤高度与凹痕深度呈线性关系；在落锤高度在0.4m以上时，曲线斜率增加，上钢板中心点凹陷速度加快，锤击区铝蜂窝芯材部分发生屈服，呈现为压实状态。

2.2 落球、落锤冲击试验结果对比分析

铝蜂窝夹芯板上面板由冲击引起的凹痕深度与落球、落锤高度的对应关系绘制成如图4所示曲线。

图4 落球高度与上面板凹痕深度关系曲线

从图4可以看出，落球在1.6m～2.0m以及落锤在0.30m～0.38m高度范围内产生的凹痕深度随着冲击体高度的增加而增加，二者呈线性关系。其中当落球高度为2.0m以及落锤高度为0.38m时，在钢板上均产生1.99mm的凹痕。一般认为在钢板上粘贴厚度为2.5mm橡胶地板布的情况下，质量为500g的Ф50钢球从2m高处落下，当冲击产生的凹痕深度小于2.0mm时，我们认为此种铝蜂窝夹芯板达到了生产要求，而实验结果与此要求吻合。从图中亦可看出，由于落锤质量是落球质量的四倍，这就使得落球在高度为1.61m的情况下产生的凹痕与落锤在高度为0.3m时相同，说明了通过改变冲击体的质量可以更充分地利用竖直滑轨。

2.3 落球试验抗冲击强度指标分析

冲击力能够更直观地体现铝蜂窝夹芯板的抗冲击性能，我们一般把冲击力作为夹芯板抗冲击强度指标的重要依据。

图5 冲击力与凹痕深度的关系

由图5可看出，规格相当的落球与落锤冲击钢板引起的凹痕深度与冲击力呈正相关，关系如式1所示：

F=1140.9x+1305 （1）

由前面结论可知落球高度与凹痕深度呈正相关关系，由此可得冲击力与落球高度也呈正相关关系，经过推导可得式2：

F=770.3h+2035 （2）

其中x代表凹痕深度，单位mm；h代表落球高度，单位为m；F代表冲击力，单位N。

3 结束语

本研究通过落球、落锤试验相结合的方法，重点研究了铝蜂窝夹芯板的抗冲击性能，完成了落球试验中铝蜂窝夹芯板抗冲击强度的指标分析，具体结论如下。

落球在1.6m～2.0m以及落锤在0.30m～0.38m高度范围内产生的凹痕深度与冲击体高度呈正相关关系。经过推导可知，在一定范围内，落球冲击产生的总能量与落球高度呈正相关关系。