爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板动力响应研究_张旭红

第26卷　第2期应用力学学报Vol.26　No.2 2009年6月CHINESE JOURNAL OF APPL IED MECHANICS J un.2009文章编号:100024939(2009)022*******爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板动力响应研究3张旭红　王志华　赵隆茂(太原理工大学　030024　太原)摘要:采用自行设计的冲击摆实验系统对铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应进行了系统实验研究,给出了面板和铝蜂窝不同区域的不同变形模态,得到了不同炸药当量对铝蜂窝夹芯板动态响应的影响规律,证实了铝蜂窝夹芯板产生较大塑性变形时,比一般的结构具有更好的能量吸收特性。

并利用LS2D YNA对其动力响应进行了数值仿真,考察了炸药起爆、接触界面及上表面接触力对夹芯板变形影响的全过程,得到了板中心的最终变形和芯层的变形模式,与实验结果吻合较好。

关键词:铝蜂窝夹芯板;爆炸载荷;动力响应;变形模态中图分类号:O347 文献标识码:　A1　引　言轻质夹芯结构作为一种新颍的工程结构,以其优异的力学特性广泛应用到航空航天、汽车、轨道车辆、军事防护工程等领域。

有关蜂窝夹芯梁、板在准静态压力和低速撞击载荷作用下的研究结果较多,但在爆炸载荷作用下的研究结果有限。

绝大多数爆炸载荷作用下结构的变形和失效研究结果都是关于实体梁、板和加筋等结构的非线性大变形问题[122]。

文献[3]对爆炸载荷作用下具有一根加强筋的固支方板的实验研究表明:当加强筋较弱时,板的撕裂发生在固支边界,而加强筋较强时,板将沿加强筋发生撕裂。

文献[426]分析了夹芯梁在爆炸荷载作用下的变形历程并和有限元计算结果做了比较分析,研究表明:材料的应变硬化对夹芯梁构件的性能影响可以忽略不计,夹芯层的压缩强度对夹芯梁构件的整体动力响应只有很小的影响。

文献[729]对爆炸载荷作用下夹芯层板和同样重量的实体板抗撞击性能进行了对比分析,其目标参数包括面板的厚度、芯层胞元的高跨比及相对密度等,优化设计的夹芯层板能承受比同样重量的实体板强得多的爆炸冲击波,有较好的吸能效果。

到目前为止,在爆炸载荷作用下的下夹芯蜂窝夹心板的实验研究结果很少。

本文采用自行设计的弹道冲击摆系统对铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷下的动态响应进行了系统实验研究:给出了面板和铝蜂窝不同区域的不同变形模式;得到了不同炸药当量对铝蜂窝夹芯板动态响应的影响规律;证实了铝蜂窝夹芯板产生大塑性变形时比一般的结构具有更好的能量吸收性能。

利用L S2 D YNA3D对实验过程进行了仿真研究:考察了炸药起爆、接触界面及上表面接触力递减对夹心板变形影响的全过程;研究了蜂窝板中心的最终变形和破坏模态;为铝蜂窝夹心板抗撞击性能的工程优化设计和应用提供了有价值的结果。

2　实验研究夹芯板由上下两层面板和铝蜂窝夹芯层黏结而成。

铝蜂窝夹芯层由美国Hexcel Co.提供的3基金项目:国家自然科学基金项目(90716005、10802055、10572100);山西省自然科学基金项目(2007021005)来稿日期:2008202226　修回日期:2008210225第一作者简介:张旭红,男,1965年生,太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所,博士生;研究方向———超轻材料动态特性及其结构的动力响应。

E2m ail:zhangxh2tyut@HexWeb 系列六边形铝蜂窝材构成,性能参数见文献[10],上下两层面板由退火处理的L Y12铝板构成(其性能相当于2024)。

实验采用自行研制的冲击摆系统完成,实验装置如图1所示。

炸药使用TN T 炸药,放置在试件正前方中心200mm 处。

压电传感器(PVDF )[11]薄膜压电计贴在夹层板的表面,直接测量冲击波的压力脉冲,采用激光位移传感器测定摆系统的位移2时间曲线,获得试件在爆炸过程中所受到的冲量。

图1　试验装置为了保证冲击摆系统的测试精度,一般要求其摆动角度不大于5°,实验中使用的冲击摆系统R =4380mm ,最大幅值x max 不超过110mm 。

最大摆动角不超过115°,具有足够的精度。

60个夹芯试件按面板厚度和6种芯层分为三组,分别使用15g 、20g 、25g 、30g 当量TN T 进行爆炸冲击实验。

实验测得爆炸载荷作用在铝蜂窝夹芯板上的最大局部压力在20～30M Pa 之间,冲量在16155～18120Ns 之间。

1)　面板厚度的影响三种不同厚度面板(015mm 、018mm 、110mm )对夹芯板背面板的最终变形量的影响见图2。

从图中可看出,随着面板厚度的增加,夹芯板的质量也增加,夹芯板背面板的最终变形量也随之减小。

2)　铝蜂窝尺寸的影响在第一组试件中首先考虑蜂窝单元边距相同(L =3118mm ),但壁厚不同的四种情况(厚度分别为01018mm 、01025mm 、01038mm 、01051mm )。

不同芯层壁厚对夹芯板变形影响的比较见图2。

图中显示随着铝蜂窝壁厚的增加,后面板的永久变形量减少。

第二组试件中采用蜂窝单元壁厚相同(t =01038mm ),但边距l 不同(分别为3118mm 和3197mm ),随着铝板厚度的变化(h 为015mm 、018mm 、110mm )两组蜂窝夹芯板的平均变形量相差分别为2919%、38%、1619%。

第三组试件采用夹芯层质量近似相等,分别为8516g 、8519g ,相对密度相近,但蜂窝单元尺寸不同,随着铝板厚度的变化(h 为015mm 、018mm 、110mm )两种蜂窝夹芯板的平均变形量相差分别为512%、716%、210%。

图2　夹芯板几何尺寸的影响图3　药量大小的影响3)　炸药当量的影响铝蜂窝夹芯结构的几何尺寸固定不变,考察15g 、20g 、25g 、30g 四种TN T 当量炸药下夹芯结构的动力响应,载荷冲量与后面板的永久变形关系见图3所示。

从图中可看到,随着脉冲载荷增加,夹芯板的变形也相应增大,载荷冲量与永久变形量基本呈线性关系,拟合得到描述载荷冲量与永久变形量之间的关系为δ=kI +b (1)其中:δ为夹芯板背面板中心的最终变形量;I 为施加的载荷冲量;k 和b 为待定参数,拟合实验数据可得k =1mm/Ns 和b =2172mm 。

3　数值模拟根据夹芯板实验试件几何尺寸和对称性,利用前处理程序FEMB 1V28(ETA 1COM ,美国)建立了1/4试件有限元模型。

有限元模型相邻两边固定,另外两边分别关于X Z 面和Y Z 面对称。

蜂窝层和上下铝板采用Belytschko 2Tasi 壳单元,Lagrange 描述法,单元数为22300个,如图4(a )所示。

炸药采用8节点六面体单元,AL E 描述法,单元数为34000个(20gTN T ),单元形状尽可能规则,保证炸药起爆后变形均匀,炸药单元数视其药量的不同而不同,如图4(b )示。

起爆点设在圆柱体炸药顶面中心处。

炸药与夹芯板上表面的062应用力学学报第26卷接触类型设为自动面对面接触,不考虑摩擦作用,整个夹芯板结构设为自动单面接触。

图4　铝蜂窝夹芯板和炸药的有限元模型蜂窝和上下铝板材料选用弹塑性随动强化模型,炸药选用高能材料模型,状态方程为J WL 状态方程,模拟工作在H P J 6750工作站上完成。

为了避免计算过程中出现的单元畸变或负体积等计算错误,采取较小的时间步长,对蜂窝单元使用自适应算法,确保失效模态的完整性,物理模拟时间为3000μs ,得到爆炸载荷下动态响应。

311　爆炸加载和夹芯板的动态响应过程模拟在爆炸载荷作用下夹芯板的动态响应过程可分为三个阶段。

第一阶段:炸药引爆后(0～40μs )。

爆轰产生的冲击波逐渐传播到目标表面,在这个阶段接触力为零。

图5　炸药起爆和侵蚀接触过程第二阶段:接触阶段(40～150μs )。

炸药起爆和侵蚀接触的过程如图5,接触界面的接触力如图6所示。

可以看出冲击波到达接触界面后,表面接触力迅速上升达到其最高值,其后延时大约110μs 。

在此期间,板结构的变形极小,主要过程为能量传递转换过程。

第三阶段:夹芯板的结构响应阶段(150～3000μs )。

在这个阶段,夹芯板靠自身惯性运动。

蜂窝夹芯材料首先在上面板附近的中心区域出现失稳模态,胞元壁发生折叠,并随时间推移向两边及下面扩散,同时下板开始向下运动,最后整个结构在某一平图6　接触面界的接触力衡位置附近作微小的振动。

因为夹芯结构具有较大的阻尼,弹性振动很快停止下来,此时为夹芯板的最终塑性变形模态。

312　变形和失效模态比较31211　芯层变形和失效模式芯层显示出一个渐进的变形模式,图7为典型的实验后试件截面与模拟结果对比。

按照损伤程度的不同,芯层可分为三个区域:完全失稳折叠区、部分失稳折叠区、无折叠区。

完全折叠区在试样的中心区,在该区域可观察到局部的塑性大变形,蜂窝的竖直边发生折叠、贯穿、局部撕裂。

在部分折叠区,折叠模式相似,但渐进屈曲仅仅在前面板附近区域形成,下部胞元竖直壁基本保持原状。

除了折叠损伤发生外,前面板和芯层之间的脱层损伤也可在这两个区域观察到。

非折叠区是指被钢夹具约束的区域,由于没有脉冲载荷直接施加到该区域,蜂窝芯层基本没有发生折叠,但在部分折叠区和无折叠区之间可很明显地观察到芯层剪切失效。

图7　夹芯板芯层的最终变形模态31212　下面板的变形和失效模式图8为典型的实验后下面板变形与模拟结果对比。

铝蜂窝夹芯板下面板的变形失效模式为非弹性大变形,其整体变形为穹形,中心的挠度最大,且从162第2期 张旭红,等:爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板动力响应研究中心到固支边界处逐渐减小,在沿夹芯板对角线处能观察到明显的塑性铰线。

313　夹芯板中心变形比较图9是蜂窝夹芯板背面板中心点变形实验和模拟结果比较,实验数据和模拟值基本吻合,验证了有限元模型的可靠性。

结合图2同时也可看出,随着面板厚度的增加,夹芯板的质量增加,夹芯板背面板的最终变形量随着减小。

因此,确定在夹芯板重量和抗撞击性能间的最佳配比,将是优化设计夹芯板的关键。

314　铝蜂窝夹芯板能量吸收分布为了改善夹芯板的力学性能,必须研究冲击载荷作用下其各组成部分能量吸收的比例,进行优化设计。

图10为铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷作用下的动能和内能的变化曲线。

由于本文上下面板采用了相同的材质和几何尺寸,由图可看出上面板比下面板的动能大,即上面板比下面板具有大的初速度,在变形过程中产生了对夹芯层的相对压缩,导致失稳折叠,上面板的变形挠度将比下面板的大。

而夹芯材料由于其质量比面板小的多,得到了比较小的动能,通过变形、能量传递,各组成部分发生塑性变形,吸收冲击能。

图中可看到上面板的内能峰值比下面板的峰值大,而夹芯层吸收的内能比下板的内能大,这是由于夹芯层在变形过程中发生了较大的变形,从而吸收了较多的能量,在冲击接触初期(40～150μs ),夹芯层吸收的能量比下面板吸收的能量多,比前板吸收的能量略大,占总内能的40%以上。