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摘 要 ：如今直升機(jī)已廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，但目前對(duì)其抗高速?zèng)_擊性能的研究較少。通過(guò)對(duì)球型破片高速?zèng)_擊蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真，研究了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在高速?zèng)_擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。結(jié)果表明，在破片的高速?zèng)_擊作用下，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的破壞形式不再像低速?zèng)_擊一樣，而是以局部破壞為主。同時(shí)，芯層結(jié)構(gòu)也由于參與程度較少，其對(duì)抗沖擊作用的影響遠(yuǎn)小于面板，但芯層的存在仍優(yōu)于實(shí)心結(jié)構(gòu)。基于夾芯結(jié)構(gòu)的重量和防護(hù)效果，分析幾何結(jié)構(gòu)同抗高速?zèng)_擊的防護(hù)能力之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞 ：蜂窩夾芯結(jié)構(gòu) ；抗沖擊性能 ；數(shù)值仿真 ；耐撞性

中圖分類號(hào) ：V214.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：B 文章編號(hào) ：1671-2064(2023)11-0071-06

0引言

直升機(jī)由于其具有平移飛行、懸停飛行和垂直起降的能力，使其成為所有飛行器中用途最廣泛的類型之一 ^[1]。迄今為止，直升機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，然而，近幾十年來(lái)，直升機(jī)安全問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。對(duì)直升機(jī)事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)耐撞性被視為關(guān)鍵問(wèn)題之一。但直到越南戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期才引起足夠的重視，第一批優(yōu)先考慮防撞設(shè)計(jì)的是 UH-60 黑鷹和 AH-64 阿帕奇直升機(jī) ^[2]。在之后的開(kāi)發(fā)中，耐撞性設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。而在各種典型的能量吸收結(jié)構(gòu)中，蜂窩結(jié)構(gòu)由于具有高比強(qiáng)度、比剛度和顯著的能量吸收性能，在大多數(shù)工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 ^[3]。迄今為止，在耐撞性研究中，人們開(kāi)發(fā)了許多蜂窩夾層結(jié)構(gòu)來(lái)提高能量吸收能力。

目前Sun 等人 ^[4] 研究了基于一階和二階頂點(diǎn)的分層蜂窩的平面外耐撞性行為。結(jié)果表明，一階和二階蜂窩的比能量吸收分別提高了 81.3% 和 185.7%，而峰值力沒(méi)有增加太多。Ma 等人 ^[5] 研究了仿生自相似規(guī)則分層蜂窩在面外沖擊載荷下的耐撞性。分層單元組織可以加強(qiáng)材料強(qiáng)度，從而提高抗壓強(qiáng)度和能量吸收能力。湖南大學(xué)^[6] 和東南大學(xué)團(tuán)隊(duì) ^[7] 關(guān)于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)幾何屬性對(duì)其抗沖擊的影響有了系統(tǒng)性的研究。

但是，直升機(jī)在飛行過(guò)程中往往遭受高速?zèng)_擊，而在這方面的研究目前還相對(duì)較少。所以本文通過(guò) ABAQUS 建立了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的有限元模型，并模擬了破片侵徹夾芯結(jié)構(gòu)的過(guò)程，分析了在破片高速貫穿夾芯板時(shí)，結(jié)構(gòu)各部分的損傷情況。并進(jìn)一步對(duì)比了各部分參數(shù)的變化對(duì)其吸能的影響，旨在進(jìn)一步了解夾芯結(jié)構(gòu)的面板、芯層的參數(shù)和夾芯板耐撞性之間的關(guān)系。

1數(shù)值仿真模型及參數(shù)設(shè)置

如圖 1 所示，前后面板為邊長(zhǎng) 150mm 的正方形，厚度1mm ；芯層采用邊長(zhǎng)為 4mm，厚度為 0.07mm 的正六邊形蜂窩，高度為 15mm。破片采用球型破片，其直徑為 12mm，質(zhì)量為 7.05g。由于主要研究夾芯板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，所以不考慮破片自身的變形情況，將破片設(shè)置為鋼體結(jié)構(gòu)。

在ABAQUS 中，網(wǎng)格的數(shù)量決定了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度以及計(jì)算的速度。綜合考慮下，僅在夾芯板與破片接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的局部細(xì)化，細(xì)化后的尺寸為 0.5mm，其余地方采用漸變的方式，如圖 2 所示。模型的邊界條件為剛性固定，面板和芯層之間的接觸關(guān)系設(shè)定為T(mén)ie 接觸，破片和夾芯結(jié)構(gòu)之間的碰撞關(guān)系設(shè)定為通用接觸，其中法線方向?yàn)橛步佑|，切線方向?yàn)槟Σ两佑|，系數(shù)為 0.3。

在本次數(shù)值仿真中，面板的材料為 5052 鋁，芯層的材料為 3003 鋁，在 ABAQUS 中的塑性模型和失效模型選用 Johnson-Cook 本構(gòu)方程 ^[8-9]。公式如下。

式中，材料參數(shù)的值取自《國(guó)際沖擊工程》中公布的數(shù)據(jù)^[9]，具體的參數(shù)如表 1 所示。

2數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真方法的合理性，本文將仿真結(jié)果同Sun 等人 ^[10] 的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖 3 所示，夾芯板的尺寸與模型中選用的保持一致。在試驗(yàn)過(guò)程中，夾芯板分別在 76.2m/s、138m/s、172.4m/s 3 種速度下出現(xiàn)了前面板凹陷、破片反彈、前面板被貫穿，破片陷入芯層中和前后面板均被貫穿 3 種毀傷形式。所以在數(shù)值仿真中也將破片模擬了這 3 種速度，能更為準(zhǔn)確地驗(yàn)證ABAQUS 仿真結(jié)果的合理性。

破片在數(shù)值仿真和試驗(yàn)過(guò)程中的剩余速度結(jié)果如表 2 所示，對(duì)比分析可得，ABAQUS 基本上能夠模擬出破片沖擊夾芯板后的剩余速度。由于在制造夾芯板時(shí)，面板和芯層之間采用膠水粘連的工藝，從而會(huì)多一層黏合層，并且試驗(yàn)中螺栓固定的程度并非完全剛性固定。而在有限元模型中為理想狀態(tài)。因此在入射速度較小時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，但在入射速度增大時(shí)，其影響均會(huì)減小。

夾芯板的面板毀傷情況如圖 4 所示，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)和仿真的面板變形結(jié)果來(lái)看，ABAQUS 能夠較好地模擬夾芯板面板的破壞情況。在侵徹速度為 76.2m/s 時(shí)，面板僅出現(xiàn)凹陷變形，其變形的撓度大小基本上與試驗(yàn)結(jié)果一致 ；在侵徹速度為 138m/s，部分穿透 ；在侵徹速度為172.4m/s 時(shí)，完全穿透 ；從貫穿破孔孔徑來(lái)看，其數(shù)據(jù)也十分接近。所以，可以使用 ABAQUS 來(lái)對(duì)夾芯板的毀傷情況進(jìn)行有限元分析。

本文主要研究夾芯結(jié)構(gòu)的抗高速?zèng)_擊性能，所以選用完全貫穿的夾芯板毀傷情況進(jìn)行對(duì)比，如圖 5 所示。在破片完全侵徹夾芯板時(shí)，前面板收到侵徹而破碎，沖擊區(qū)域的芯層被完全破壞，遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域的芯層受到擠壓屈曲變形，并與后面板出現(xiàn)脫粘，而這些破壞情況在數(shù)值仿真中也得到了體現(xiàn)。綜合 3 種情況，說(shuō)明可以使用 ABAQUS 來(lái)仿真夾芯結(jié)構(gòu)在高速破片侵徹下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1物理過(guò)程分析

數(shù)值仿真比起試驗(yàn)?zāi)軌蚋鼮橹庇^地觀察夾芯板內(nèi)部的毀傷過(guò)程。如圖 6 所示，當(dāng)破片首先撞擊到前面板時(shí)，使面板沖塞變形。同時(shí)面板擠壓芯層使芯層出現(xiàn)屈曲破壞， 并與前面板發(fā)生擠壓破壞。隨后后面板遭到貫穿，形成充塞孔，附帶周圍相連的芯層受到撕裂而出現(xiàn)“脫粘”。但同時(shí)，遠(yuǎn)離沖擊位置的部分仍保持完整的結(jié)構(gòu)，破片對(duì)夾芯板的毀傷影響能力僅存在于沖擊區(qū)域內(nèi)。

3.2能量吸收特性

從圖 7 中可以看出，整個(gè)破壞過(guò)程均遵循能量守恒定律，破片的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為了夾芯板的塑性應(yīng)變能。在 3 種速度的破片侵徹下，由于夾芯板的毀傷情況不同，夾芯板各部分吸收的能量不同，主要是當(dāng)速度較低時(shí)，后面板并未參與整體抗沖擊過(guò)程，所以其幾乎不吸收能量，而前面板由于發(fā)生變形較大，所以其吸收的能量也始終最多，而隨速度的增大，后面板參與抵抗沖擊后，其吸收的能量就超過(guò)了芯層。

結(jié)合圖 7 與圖 4 可知，夾芯結(jié)構(gòu)的吸能情況與其自身的毀傷情況有關(guān)，說(shuō)明夾芯板是通過(guò)塑性應(yīng)變吸收破片的動(dòng)能，而芯層的存在連接了前后兩個(gè)面板，使其整體參與抵抗破片的沖擊，因此，可以推斷夾芯板的抗沖擊性能優(yōu)于兩塊面板單獨(dú)抵抗。但由于在高速?zèng)_擊下，夾芯板的破壞是局部性破壞，所以面板仍然是抗沖擊的主要部分。

數(shù)值仿真可以改變破片侵徹的速度，通過(guò)數(shù)值仿真設(shè)置了一系列不同侵徹速度下的夾芯板吸能情況對(duì)比，如圖8 所示。從中可以看出，當(dāng)破片貫穿結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)的吸收能量就達(dá)到了極值，此時(shí)再增加入射速度，并不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的吸能情況造成影響，相反入射速度越快，其破壞范圍越集中，芯層所貢獻(xiàn)的抗沖擊性能效果反而有所降低。而前后面板均產(chǎn)生沖塞孔的毀傷情況，所以其吸收能量基本保持一致。

4蜂窩夾芯板抗沖擊性能參數(shù)研究

4.1幾何參數(shù)對(duì)彈道極限速度的影響

彈道極限速度表示破片完全貫穿目標(biāo)所需要的最小沖擊速度 ^[11]，因此，在本次研究中將其作為評(píng)價(jià)夾芯板抗高速?zèng)_擊能力的標(biāo)準(zhǔn)之一。通過(guò)在 ABAQUS 中修改各部位的參數(shù)，得到了夾芯板在面板、芯層在不同幾何參數(shù)下的彈道極限速度，如圖 9 所示。從中可以看出，作為主要抗沖擊的面板，隨著厚度的增加，彈道極限速度也跟著增加。而改變芯層的幾何參數(shù)，則對(duì)抗沖擊性能影響較小。增加胞元壁厚和減小胞元邊長(zhǎng)等效于提高了破片粉碎芯層所需要的動(dòng)能，使得更多的芯層參與抗沖擊作用，所以在一定程度上提高了彈道極限速度，但是影響很小，而增加芯層高度則幾乎沒(méi)有影響。

4.2幾何參數(shù)對(duì)能量吸收的影響

為了研究高速?zèng)_擊下夾芯板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在 ABAQUS 中將破片的速度設(shè)置為 250m/s，實(shí)現(xiàn)所有工況下夾芯板均完全貫穿。得到的結(jié)果如圖 10 所示，當(dāng)面板厚度增加時(shí)，面板自身對(duì)破片動(dòng)能的吸收也會(huì)增加，同時(shí)破片侵徹面板后的速度會(huì)降低，從而使結(jié)果更趨近于低速?zèng)_擊，帶動(dòng)更多的芯層參與抵抗破片的侵徹，從而提高了夾芯板整體結(jié)構(gòu)以及各個(gè)部分的能量吸收效率。而僅改變芯層參數(shù)時(shí)，因?yàn)樾緦幼陨斫Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度很弱，在完全貫穿的情況下，芯層相對(duì)于面板影響很小，所以即使改變芯層的幾何參數(shù)，也因?yàn)樽陨肀戎靥投鴮?duì)整個(gè)結(jié)果影響很小。

4.3幾何參數(shù)對(duì)比吸能的影響

在直升機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，重量是不可忽略的元素，這就要求應(yīng)用于直升機(jī)上的結(jié)構(gòu)盡可能滿足輕量化設(shè)計(jì)。所以在研究夾芯板的抗高速?zèng)_擊性能時(shí)，也需要考慮質(zhì)量對(duì)吸能效果的影響，比吸能則是一個(gè)重要的指標(biāo)。如圖 11 所示，增加了質(zhì)量因素之后，得到了不同幾何參數(shù)下蜂窩夾芯板的比吸能結(jié)果。從前文研究可得，增加面板厚度能夠提高夾芯板的吸能效率，但同時(shí)也會(huì)增加夾芯板的重量，而從圖 11（a）可以看出，當(dāng)面板厚度增加超過(guò)1.6mm 之后，再增加厚度，反而比吸能開(kāi)始降低，這說(shuō)明此時(shí)吸能效率的增加開(kāi)始小于質(zhì)量的增加。而改變芯層的幾何參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和吸能都影響較小，所以整體的結(jié)果變化不大，但從圖 11（b）、11（c）、11（d）中也能看出，在波動(dòng)的狀態(tài)下也能有一個(gè)比吸能較高的結(jié)果。

綜合研究彈道極限速度、吸能情況以及重量的因素可以得出，蜂窩夾芯板的抗高速?zèng)_擊能力主要與面板有關(guān)， 最直接提高防撞能力的方法就是增加面板的厚度，但同時(shí)增加面板厚度會(huì)使夾芯結(jié)構(gòu)質(zhì)量也隨之增加，增加到一定程度之后反而會(huì)降低吸能效率。而芯層對(duì)夾芯板抗高速?zèng)_擊的性能影響較弱，所以改變芯層的幾何參數(shù)對(duì)整體抗沖擊作用也影響較小。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò) ABAQUS 建立了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)其抗高速?zèng)_擊性能進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）與低速?zèng)_擊不同，高速?zèng)_擊下的蜂窩夾芯板主要的毀傷情況是前后面板形成沖塞孔，芯層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，并且沖擊區(qū)域的芯層會(huì)與面板完全脫粘。（2）破片在高速?zèng)_擊的過(guò)程中，蜂窩夾芯板通過(guò)自身的塑性應(yīng)變來(lái)吸收破片的動(dòng)能，所以在貫穿整體后，前后面板的破壞形式一致，變形一致，吸能量也比較接近。（3）在抗高速?zèng)_擊時(shí)，起主要作用的是夾芯板的面板，所以直接提高夾芯結(jié)構(gòu)的抗高速?zèng)_擊性能的方式就是增加面板厚度，但結(jié)合輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，則需要考慮質(zhì)量對(duì)其的影響。（4）芯層雖然對(duì)夾芯板在低速?zèng)_擊下的防護(hù)性能有影響，但夾芯結(jié)構(gòu)在高速?zèng)_擊過(guò)程中，由于損傷更為局部化，而芯層自身在夾層結(jié)構(gòu)中占比較低，所以改變其幾何參數(shù)對(duì)整體效果影響較少。

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Dynamic Response of Honeycomb Sandwich Panels Under High Velocity Impact

HU Fangliang1,YU Sheng2

(1.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen Jiangxi 333001;

2.Wuhan Bureau of Haizhuang Military Representative Office in Nanchang, Nanchang Jiangxi 333000)

Abstract:Helicopters have been widely used in military and civil fields, but there is little research on their high-speed impact performance.The dynamic response process of honeycomb sandwich structure under high velocity impact is studied by numerical simulation of honeycomb sandwich structure under high velocity impact of spherical fragments. The results show that under the high-speed impact of fragments, the failure mode of honeycomb sandwich structure is no longer the same as that of low-speed impact, but mainly local failure.At the same time, the influence of the core structure on the impact resistance is far less than that of the panel because of its less participation, but the existence of the core layer is still better than that of the solid structure.Finally, the relationship between the geometric structure and the protection ability against high-speed impact is obtained by synthesizing the weight and protection effect of the sandwich structure.

Key words: honeycomb sandwich panels;impact resistance;numerical simulation;crashworthiness