双层蜂窝夹芯复合材料板在爆炸冲击下的动态响应试验

摘 要：【目的】探究双层蜂窝复合材料板的抗爆炸冲击性能。【方法】采用LS-DYNA有限元分析和试验方法，以两种不同材料（玻璃纤维、凯夫拉）作为蒙皮与Nomex蜂窝芯组成双层串联蜂窝夹芯材料，并以其为研究对象，对冲击波毁伤靶板的动态响应过程进行研究，与试验结果进行比对分析。【结果】得到了靶板在冲击波作用下的动态响应数据及吸能情况。【结论】蜂窝是主要的吸能部件，凯夫拉板的毁伤情况更严重。

关键词：数值模拟；双层夹芯结构；抗爆性能；复合材料

中图分类号：TB33" " " 文献标志码：A" " " " " " 文章编号：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

人类对芯材的使用已有数个世纪的历史。20世纪40年代首次出现了复合夹芯结构材料，其方式是将两层“蒙皮”材料与低密度的“芯材”组合，以增强整体弯曲强度和减轻重量。最初，复合夹芯结构材料仅在对重量要求极为严格的领域（如航空和航天器）中应用。碳纤维和芳族聚酞胺纤维增强材料的价格下降，以及聚酯、环氧和热塑性树脂的品种和质量的不断提高，为更多新型夹层复合材料的研发、应用提供了有利条件。近年来，随着对蜂窝材料性能要求的不断提高，以及层合板制造工艺的提升，出现了双层蜂窝夹芯复合材料板。

在实践中，由于热固性和热塑性制成的蜂窝夹芯板的刚性大、质量轻［1］，在海运、空运行业中具有广阔的应用前景。蒙皮和蜂窝结构的复杂性使得夹层结构的冲击反应和破坏机制也非常复杂。张广成［2］研究了胶膜、铺层方式，以及界面缺陷对蜂窝夹层结构的力学性能影响，对比了蜂窝夹层结构中的面板与叠层板的性能。Wang等［3］研究了蜂窝材料面内的力学性能。Zhu等［4］描述了蜂窝结构在爆炸荷载下变形分为三个阶段，分别对应于前端面变形、芯体压溃，以及整体结构弯曲和拉伸。杨森等［5］研究了蜂窝几何参数对其抗爆性能的影响，并描述了失稳过程中的应力变化情况。

1 靶板冲击波毁伤试验

1.1 设备介绍与试验方案

本试验目的是研究双层夹芯靶板在爆炸冲击下的动态响应。靶板为1 m×1 m的正方形双层蜂窝复合夹芯板，厚度约为40 mm，由上、下两层Nomex蜂窝芯和三层蒙皮组成，蒙皮的材料是玻璃纤维（GFRP）和凯夫拉（Kevlar）。其中，蜂窝的形状为正六边形，正六边形的外直径约为8 mm，蜂窝壁厚为0.1 mm，高度为19 mm。试验板件的实物与剖解图如图1、图2所示。

除了靶板外，试验用到的主要设备包括：超压传感器、电荷放大器、信号采集器、电雷管测试仪器、起爆器、高速摄像机等。在炸药量1 kg炸点到靶板的距离，拟采用计算超压值为0.2、0.4 MPa 的位置进行超压试验。计算超压值公式为式（1）。

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

式中[：WTNT]为等效TNT当量；[R]为爆炸距离。

试验主要分为以下几个步骤：靶场布置、仪器设备调试、炸药安装、起爆装置安装、冲击波试验及数据记录、剩余炸药现场销毁。试验前，根据试验条件，称量1.0 kg的TNT炸药并压缩成TNT药柱，存放于弹药暂存间，由专人负责保管。TNT裸装点距离地面高度为1.5 m，支架设置在地面上并连接牢固，以减少对壳体膨胀和碎片飞散过程的影响。试验天线罩靶板中心点距离地面高度1.5 m，靶板相对于炸药中心呈圆环形状布置，以炸药位置为圆心，在半径为1.5、2.0 m的同心圆上布置两个超压传感器，每个传感器间隔90°，传感器高度也为1.5 m。采用超压传感器，将炸药爆炸后产生的爆炸冲击波压力信号转换成电信号，通过信号适调仪输入数据采集仪，由压力传感器的灵敏度和信号传输，记录系统的放大倍数，计算出冲击波超压时程（冲击波超压一时间曲线），确定峰值超压，根据测点峰值超压和位置计算炸药爆破威力。靶板、超压传感器、加速度传感器布置示意如图3所示。其中PT板的蒙皮材料为GFRP，FD板的蒙皮材料为Kevlar。冲击波试验现场如图4所示。

1.2 设备介绍与试验方案

爆炸冲击试验得到的靶板的峰值加速度见表1。

根据冲击波毁伤试验得到的结果，试验最大超压为 0.359 MPa，靶板最大加速度为13 168 g。试验板件损伤主要表现为入射面分层、边角毁伤，Kevlar靶板的损伤程度比GRFP靶板严重。边角损伤情况如图5所示。

2 数值模拟

2.1 有限元模型介绍

建立双层蜂窝夹芯复合材料板数值模型，采用部分建模方法，对整体模型取两次对称，建立1/4模型，具体的模型如图6、图7所示。

靶板的蒙皮部分采用LS-DYNA材料关键字*MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE_（054），同时定义chang-chang失效准则以及最大应变失效准则。模型共有上、中、下三层蒙皮，均采用0/90°铺层设计，其中上、下蒙皮有8层，中蒙皮有12层，每层厚度均为0.1 mm。蜂窝部分采用弹性材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC_（003）并配合使用*MAT_ADD-EROSION定义损伤。复合材料蒙皮面板与蜂窝之间采用关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK模拟结构间黏结作用，蒙皮单元大小为5 mm×5 mm×0.1 mm。靶板在对称面上采用对称约束，其余均采用全约束模拟靶板夹具的固定作用。

具体材料数据见表2、表3。

由于爆炸距离较远，如果完整建立炸药、空气爆炸场，并使用流固耦合算法进行模拟，需要大量的计算资源。故本研究不定义空气域，采用LS-DYNA关键字*LOAD_BLAST_ENHANCED定义冲击波荷载。该关键字只需设置TNT质量和爆心位置，计算速度快。在大当量工况下，这种载荷施加方式求解中远距离下的结构响应精度较高。冲击波入射压力[Pinc]和反射压力[Pref]满足Friedlander方程式（2）.

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

式中[：Ps]为超压峰值；通过超压最大值[P1]减初始压力[P0]得到，[Pr]通过[2P1≤Pr≤13P1]得到，同时，用相对距离[r]描述冲击波参数，计算公式见式（3）。

[r=Rmw3] （3）

式中：[R]为测点到炸药爆炸中心之间的距离；[mw]为爆炸物[TNT]等效当量。结合关键字*LOAD_BLAST_SEGMENT_SET定义入射面超压接收层。仿真计算时间设为2 ms。

2.2 仿真结果与分析

2.2.1 动态响应仿真结果。爆炸冲击波于1.2 ms时到达模型面板，一开始模型整体发生正向变形，边缘处的位移变化不大，冲击波作用下位移逐渐向中心堆叠增加至最大值。随着变形增大，在模型的边缘及背板部分出现面板层的分层破坏，由于固定支座与冲击波的作用，蜂窝在制作边缘发生剪切破坏。在T=1.6 ms时，第一层蜂窝距离固定支座约0.05 m处出现了压溃的现象，随着挠度增加，蜂窝压溃范围逐渐向模型边缘、向上发展。在T=2.0 ms时，蜂窝的损伤范围达到了整个横截面的20％，且第一层蜂窝损伤程度大于第二层蜂窝，在该范围内蜂窝的分层破坏也最为明显。在爆炸冲击波的作用下，复合材料层间界面瞬间承受了极高的压力，超过了层间界面的承受能力，导致界面开裂，同时冲击波会在复合材料内部产生复杂的应力波动，包括折射波、反射波、散射波等，这些波动可能在某些部位形成应力集中现象，导致新的局部破坏的出现，加剧了分层破坏。

面板最大应力出现在边缘处且未达到极限强度，但中部由于纤维拉伸达到最大应变出现单元失效，上、下层蜂窝在边缘处出现压溃。背板应力集中在中部，总体应力小于面板，未出现单元失效。通过Ls-Prepost后处理得到靶板的加速度时程曲线及超压时程曲线，并与试验结果进行对比，如图8、图9所示。

数值模拟得到背板中心加速度峰值为12 603.5 g。由图9可知，冲击波阵面抵达背板后，板件迅速得到沿冲击波方向的最大加速度，随后，迅速回落到0 g以下。经过了大约2.3 ms的、在0 g附近的震荡，震荡波峰逐渐减小，这种震荡是冲击波在夹芯板内沿着厚度方向来回反射形成的压缩波和拉伸波造成的。在气体冲击的过程中，与另一侧的冲击波在结构中交汇引发能量碰撞，引发的反射波沿着各自的反方向传播对结构造成了拉伸效应。随后，板件释放由动能转换的弹性势能开始进行反向加速，于4 ms左右曲线下降到最大负加速度，为21 614 g，负向的加速度峰值比正向加速度峰值大71.5％，随后，曲线再次回落，整个板经过振动后恢复到静态。对比数值模拟与试验结果，正向加速度峰值误差为4.5％，验证了试验结果的可靠性。

2.2.2 对双层蜂窝复合材料板吸能性能的分析。通过后处理得到双层蜂窝复合材料板各部分结构在爆炸冲击波荷载吸能性能时程曲线，其中模型对1 kg、1.5 m爆炸产生的冲击波荷载的GFRP板吸能曲线如图10所示。

当冲击波到达双层蜂窝夹芯板时，此时能量主要分为内能和动能，动能通过板件的位移进行传输。面板蒙皮最快做出吸能响应，它承受并分散了冲击波的直接冲击，此时部分能量被反射回去，其余的能量进入板件的内部。蜂窝的主要吸能机理是利用蜂窝胞元结构在受到冲击时产生弯曲和压缩形变，能量沿着胞壁高度方向进行传播。独特的双层结构相对于单层蜂窝，可以使能量在传播过程中在两层蜂窝之间进行多次的反射，加强了能量的吸收效率。两层蜂窝结构之间的蒙皮隔板可以提供额外的缓冲和能量吸收，从而进一步提高材料的抗冲击能力，降低了其对其他构件的破坏。各部件能量的5条曲线大致可分为3组：蜂窝组、外侧蒙皮组、中层蒙皮组，其中蜂窝组的吸能表现最明显，其次是上、下两层蒙皮，中层蒙皮的吸能行为最差。在到达最大总能量之后，其内部的能量依然在变化，在随后的几微秒内，会发生动能向内能的转化，以及各构件能量的相互输送，使得各构件的能量趋近于相同。

各构件能量吸收堆积如图11所示。由图11可知，随着冲击波能量的增高，板件吸收的总能量也在不断提升，分析其吸能占比发现，面板、背板的能量占比几乎相等，上、下层蜂窝的能量占比也相等，两个蜂窝层加起来的吸能约为50％。3个蒙皮层中，中层蒙皮的吸能占比略少于上、下层蒙皮。随着冲击波能量的增加，蜂窝的吸能占比逐渐减少，蒙皮的吸能占比逐渐增加，在冲击波超压达到0.4 MPa时，蜂窝的吸能占比仅有43％。在较低能量的冲击波作用下，蜂窝是首要的吸能部件，随着冲击波能量的提升，蜂窝通过压缩形变吸收部分能量，其余能量由蒙皮通过拉伸形变的方式吸收。对比两种靶板的吸能发现，GRFP的吸能效果更好。

3 结论

①通过试验与有限元模拟证明：本研究使用的双层蜂窝复合材料层合板能够抵抗1 kgTNT在1.5 m爆炸所产生的冲击波荷载，并未出现过大变形及结构性破坏，能有效吸收冲击波能量。

②双层蜂窝复合材料夹芯板的主要损伤模式是蜂窝在支座附近出现塑性变形，蒙皮出现入射面的层裂。

③在冲击波能量较低的情况下，蜂窝是主要的吸能构件，当蜂窝被压缩后蒙皮开始吸收能量。GRFP靶板相对于Kevlar会产生更大的弯曲变形，同时也会吸收更多的能量。

参考文献：

［1］张广平，戴干策.复合材料蜂窝夹芯板及其应用［J］.纤维复合材料，2000（2）：25-27，6.

［2］张广成，赵景利.蜂窝夹层结构复合材料的力学性能研究［J］.机械科学与技术，2003（2）：280-282.

［3］WANG A J，MCDOWELL D L.In-plane stiffness and yield strength of periodic metal honeycombs［J］.Journal of Engineering Materials and Technology，2004，126（2）：137-156.

［4］ZHU F，WANG Z H，LU G X，et al.Analytical investigation and optimal design of sandwich panels subjected to shock loading［J］.Materials and Design，2008，30（1）：91-100.

［5］杨森，冯凇，王顺尧，等.爆炸冲击作用下铝蜂窝板失稳研究［J］.高压物理学报，2017，31（2）：193-201.