夹层结构冲击动力学研究综述

肖 锋，谌 勇，章振华，马 超，华宏星

(上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240)

随着对冲击防护结构设计要求的不断提高，工程界试图寻求抗冲击性能优良结构以满足不同需求。而夹层结构因具有轻质、比强度高、比刚度大、能量吸收及减振良好等优异性能广泛用于航空航天、船舶等冲击防护领域。

1849年Fairbairn首次描述了夹层板结构概念。夹层结构一般由两层高强度薄面板与中间承载能力相对较弱的轻质厚芯层通过焊接或胶接而成。面板提供结构较高的抗弯曲、拉伸强度，承受由弯矩引起的面内拉压载荷，而芯层主要承担由横向力产生的剪应力。通过调整上下面板间距，可增大结构截面惯矩，提高抗弯刚度。夹层结构的首次应用为二战中盟军蚊式轰炸机机身。60年代初用BALSA芯材与玻璃钢面板制造帆船甲板。1969年用钢面板铝蜂窝芯夹层结构制造美国阿波罗号宇宙飞船太空舱。波音747客机机身的圆柱壳结构则用Nomex材料蜂窝夹层结构。瑞典皇家海军护卫舰采用片状构造的丁二烯蜂窝夹芯材料［1－2］。

冲击通常为瞬时、高度非线性复杂问题，涉及碰撞、水下爆炸、空气爆炸等冲击载荷。响应不仅需考虑如冲击波入射、反射、绕射、流固耦合相互作用，亦受应变率、惯性效应及材料初始缺陷等因素影响。解析方法可方便进行参数研究及定量分析。但建立精确的动态响应力学模型较困难。随着计算机技术的发展，建立在连续介质力学守恒方程基础上的数值仿真已成为研究冲击问题重要手段，而实验是研究此类复杂问题最可靠途径。夹层结构种类及应用领域等均较广，本文通过回顾对夹层结构冲击动力学的研究进展，分别从理论建模方法、变形失效、流固耦合效应、芯层结构形式及设计参数等五方面对其进行分类论述，并展望其研究方向。

1 理论建模方法研究现状

理论模型从弹道冲击响应到空气爆炸、水下爆炸冲击响应，由于结构复杂，理论模型可作一定简化与假设，忽略细节，此只限于多自变量平面问题。随着理论的深入，简化减少，所能讨论方面越多，芯层结构形式更复杂，结果也更精确。通常采用弹簧质量单元、能量平衡原理、哈密尔顿原理、刚塑性理论及非线性高阶夹层板理论，并采用不同方法共同求解。

本文按理论建模方法进行阐述。Taylor分析受指数型爆炸冲击波作用下夹层板一维动响应。Zhu等［3］基于单自由度系统概念并用完全塑性阶段设计法预测结构动响应。Nettles等用弹簧质量模型研究碳纤维/环氧基树脂面板蜂窝结构的低速冲击。Deshpande等［4］在忽略芯层材料应变硬化基础上用集中参数模型及有限元法分析泡沫夹层板一维水下冲击响应。Tilbrook等［5］建立夹层梁冲击响应的集中质量模型，并定义行为的四个阶段，同时提出阶段分配图。Castanie等［6］调查了用弹簧单元建立Nomex蜂窝芯层的有效性范围，并用Mindlin板单元与非线性弹簧多级方法建模。McMeeking等［7］建立水下爆炸考虑空泡影响、忽略微小惯性及芯层强化的金属夹层板集中质量模型，该模型能较准确预测软芯层夹层板的湿面板速度响应，但对薄面硬芯层则应力差异较大。Andrews等［8］用单自由度质量弹簧系统建立夹层板模型，提出复合面板轻木芯层与PVC泡沫夹层板在空爆下的失效模式图。

Abrate建立了预测泡沫夹层梁在低速冲击下的能量平衡模型，并研究不同材料特性对响应影响，该模型能精确预测最大冲击力。Fatt等基于能量观点提出蜂窝夹芯结构三阶段破坏模型，并给出弹道冲击极限的解析解。Skvortsov等利用能量守恒原理在弯曲、剪切变形基础上建立处理弹道冲击中能量分配的解析模型。Hazizan等用能量平衡模型预测铝蜂窝夹层结构低速冲击响应。Zhu等［9］基于能量平衡理论与假设的位移场分析正方形蜂窝与铝泡沫夹层板爆炸响应。刘均考虑膜力影响，运用能量守恒与刚塑性材料模型给出了夹层板残余变形的近似计算公式。Qin等［10］依据能量平衡原理，计及几何大变形效应与芯材强度影响，利用夹芯截面屈服条件将考虑轴力影响的膜力因子引入夹芯梁小挠度动力学方程，获得两端固支超轻金属夹芯梁的大挠度动力响应解。Zhu等［11］用Jones建立的整块正方形板能量耗散率平衡法，据弯矩、薄膜力夹层板屈服条件，预测夹持正方形蜂窝芯层与铝泡沫芯层夹层板的爆炸响应，并获得最大弯曲、响应时间的上下界。Yi等［12］在文献［4］基础上用动力守恒取代能量平衡方法建立芯层压缩模型，分析了蜂窝及分层夹层结构的冲击响应，该模型提高了预测前面板及芯层压实区域边界处最大横向挠度精度。张涛基于Mindlin板理论的撞击动响应模型对碳/环氧层面板Nomex蜂窝夹芯板进行撞击响应计算，并采用双质量弹簧计算撞击力。Hause等基于扩展的伽辽金法、拉普拉斯变换及夹层板线性理论，获得各向异性薄面板与正交各向异性芯层夹层板爆炸冲击响应封闭形式解。Li等［13］用非线性高阶芯层理论，假设面板与芯层完全粘合，用哈密尔顿原理建立运动方程，研究了简支正交各向异性复合夹层板在横向载荷作用下的响应。Joseph等［14］将前后面板视为刚体，用R－P－P－L连续理想模型建立芯层，建立了空气爆炸下的蜂窝夹层板模型。Liu等［15］将顶面板处理为独立板，芯层用理想弹塑性基础建模，建立了完全背支撑夹层板在局部冲击下的弹塑性响应解析模型。Li等在准静态弯曲实验基础上，引入弯矩、弯曲铰链旋转角间简化关系，提出简支复合夹层梁在跨距中点受质量块冲击的弹塑性模型。Zhang等［16］在Fleck的夹芯板爆炸变形三阶段简化模型基础上，用考虑芯层强度的拉弯屈服条件及修正的哈密尔顿原理，建立了刚塑性动力分析模型，给出固支铝蜂窝夹芯塑性响应解析解。Fleck等建立了考虑流固耦合效应的夹持夹层梁水下爆炸解析模型，该模型将响应解耦为三个连续的阶段。Yang等用厚度方向上位移非线性衰退的弹性基础建立芯层，结合赫兹接触定律提出在两参数芯层弹性基础上的剪切变形层压面板模型，模拟复合夹层结构非线性冲击响应。谌勇等［17］利用应变能等效原理推广金属格架夹层板结构大变形均匀化方法，改进广义力求取形式，分析两种三维格架芯层结构的爆炸大变形响应。结果表明，均匀化方法计算效率较纯有限元模拟有较大提高，且具有相当精度。

2 变形失效研究现状

结构损伤会大幅降低拉伸、压缩、弯曲强度，直接影响其完整性及安全性。因此，研究结构受冲击损伤及破坏机理非常重要。变形失效研究主要集中在外观损伤、面板芯层损伤等与冲击能量关系、残余抗压强度的影响因素、损坏形状及抛射体形状关系、损伤扩展过程、材料损伤情况与强度变化。失效形式主要包括整体失稳、面板皱屈、剪切皱损、芯格内面板凹陷、芯子局部压塌、面板破裂、横向剪切破坏、纤维断裂及基体开裂。

Rosenfeld等通过对碳/环氧基树脂面板蜂窝结构进行重物下落冲击实验结果表明，损坏从芯层局部屈曲开始，高能量会造成复合面板分层损坏。程小全等用X光技术、热揭层技术、断面显微技术及外观检测对低速冲击后的复合材料蜂窝夹芯板损伤进行研究，并讨论了外观损伤、面板损伤、蜂窝损伤等与冲击能量关系。Petra等调查了GFRP层压面板Nomex蜂窝夹层梁的失效模式，建立三点弯曲载荷作用下的失效模式图。程小全等对低速冲击后的复合材料Nomex蜂窝夹芯板进行了纯弯曲及准静态横向压缩实验。对板内损伤进行测量，讨论了不同压缩速度下接触力与压入位移的变化规律及损伤情况。Vaidya等研究内部中空E型玻璃/环氧基树脂芯层夹层的低速冲击响应表明，局部损坏受芯层层数限制，多层叠加是限制损坏的有效方法。孙杰等研究玻璃钢蜂窝夹层复合材料抗爆性能表明，在爆炸荷载未达极限荷载前，结构局部屈服破坏并不影响其承载能力与整体稳定性;达极限荷载时，结构呈现局部脆性破坏。Davies等研究碳/环氧基树脂面板铝蜂窝芯层夹层板的低速冲击压缩行为及损坏表明，厚面板薄芯层结构可较好吸收能量，而薄面板厚芯层冲击压缩强度低，易被穿透。Aktay等通过用PAM－CRASH调查高速横向冲击下Nomex与PEI泡沫复合夹层板的损坏行为表明，PEI夹层板冲击接触力峰值与内能耗散较Nomex夹层板低。Dong等用表面接触性爆炸实验研究硬－软－硬夹层板动态响应表明，损坏模式有爆炸凹坑、径向破裂及圆周破裂。Tagarielli等［18］用金属泡沫发射体对玻璃纤维乙烯树脂面板PVC泡沫芯层、轻木芯层夹层梁进行冲击实表明，PVC夹层梁失效包括芯层破裂及面板拉伸失效，轻木芯层夹层梁失效为面板与芯层的分层。张旭红等［19］采用自行设计的冲击摆系统考察铝蜂窝夹芯板的爆炸响应，对夹芯板变形、失效模式进行了归类及分析。Rice等研究X－cor夹层梁的三点弯曲破坏模式，建立了压塌失效、面板失效及芯材剪切破坏的三种模型，并获得失效图。Theobald等［20］通过研究空气爆炸下铝泡沫及六边形蜂窝夹层板响应表明，薄面板芯层变形趋向局部化，泡沫芯层脆性疲劳明显，蜂窝芯层分离与开裂明显。Buitrago等［21］通过用 ABAQUS模拟碳/环氧树脂基面板与铝蜂窝夹层结构的高速冲击穿孔表明，面板主要失效为纤维损坏，芯层失效为蜂窝墙塑性变形。Radford等［22］经测量金属泡沫抛射体在不锈钢面板铝合金泡沫芯层夹层板跨距中点加载的动态响应表明，塑性铰的出现使动态载荷下的变形模式与准静态载荷下有很大不同。张旭红等用LS-DYNA对铝蜂窝夹芯板的动力响应进行数值仿真，考察炸药起爆、接触界面及上表面接触力对夹芯板变形影响，获得芯层的变形模式。Klaus等［23］试验研究了玻璃纤维乙烯基酯面板闭孔PVC泡沫夹层板受局部爆炸载荷作用下响应，观察到多种失效模式，包括前面板分层、纤维破裂、后面板塑性变形及穿透，并用理论梁模型估算分层、芯层压缩、纤维破裂能量。Kassapoglou等调查低速冲击对石墨/环氧基树脂夹层结构抗压强度影响表明，薄膜胶粘剂减少了损坏程度，增加了残余抗压强度。寇长河用当量分层模拟Nomex蜂窝夹芯板低速冲击损伤，用损伤当量法计算蜂窝夹芯板剩余压缩强度。Steeve等［24］通过预测复合面板聚合物泡沫夹层梁在三点弯曲载荷作用下倒塌强度表明，该模型较夹层梁模型预测精度高。Aminanda等［25］通过模拟球状压头横向载荷作用下金属面板Nomex蜂窝芯层夹层结构的冲击行为，较好预测了残余强度及椭圆形变化残余压痕，并提出结构的失效准则。周光明等［26］实验研究整体中空夹层复合材料低速冲击及冲击后剩余强度，并获得不同能量下材料损伤及强度变化曲线。谢宗蕻等采用解析法对低速冲击损伤复合材料蜂窝夹芯板在面内单向压载作用下的损伤扩展过程进行预测与分析表明，施加横向拉伸载荷会延迟结构在纵向压载作用下损伤的扩展过程，并提升结构残余压缩强度。Horrigan等对玻璃纤维加筋/环氧基树脂Nomex蜂窝夹层结构进行低速冲击实验表明，软抛射体产生芯层的浅挤压，硬抛射体产生更深损坏，损坏形状与抛射体形状一致。Langdon等［27］通过用4点弯曲试验及数值方法研究折叠芯层夹层板冲击后残余强度、评估碳纤维强化塑料面板纸折叠芯层夹层损伤容限表明，弯曲强度强依赖于样品的冲击损伤。

3 流固耦合效应研究现状

当结构受冲击波作用后，由于芯层快速大变形，流场中压力分布发生改变，入射压力波及反射波相互耦合，使流固耦合问题更加复杂。目前对金属夹芯结构的抗爆规律研究表明，流固效应特点在水下爆炸较空爆下更明显。其优点有二:①芯层良好变形吸能特性能降低结构整体变形，可保护主结构;②前面板迅速移动使流固耦合机制下作用在结构上的入射冲量大幅降低。

Rabczuk等［28］研究考虑流固相互作用的夹层梁水下冲击响应，经计算知，最初流固作用阶段与随后芯层压缩阶段的交叉耦合增加了传递给夹层梁的冲击力，导致更大变形。Xu等用ABAQUS研究金字塔桁架、正方形、折叠板金属夹层板及整板受均匀冲击的抵抗力;由于流固相互作用，传递到夹层板上的动量较传递到整板上少;正方形蜂窝、折叠芯层板较金字塔桁架芯层板表现好。Deshpande等［29］采用简化的一维模型分析流固耦合与芯层压缩阶段相互耦合对响应影响表明，对具有高强度芯层的夹层梁而言，基于Taylor流固耦合平板理论所得初始冲量较实际值低20% ～40%，该方法高估了夹层结构减轻冲击的优势，质疑的假设为流固相互作用阶段从芯层压缩阶段中解耦。Liang等通过研究硬芯层、软芯层夹层梁响应表明，软芯层可大幅减度少冲击的传递、后面板弯曲及传递给支撑的力，但爆炸冲击后受面板拍击影响，性能明显降低。Wei等［30］对多层金字塔格子芯层夹层板进行水下爆炸试验认为，夹层板代替实体圆筒可大幅减少冲击。康建功等运用LS-DYNA分析不锈钢面板Alporas泡沫铝夹芯梁与同重量实体梁爆炸动响应得出，在不同冲量作用下，夹芯梁较实体梁更具抗爆能力。Chen等［31］对粘附聚合物覆盖层的矩形金属箱前后进行一系列水下爆炸实验得出，橡胶软芯层可大幅度降低结构的总入射冲量，能有效降低箱体加速度及应变峰值。McShane等［32］用ABAQUS分析正方形蜂窝及波浪型芯层夹层板的流固相互作用。芯层结构形式对动态压缩强度及芯层压缩自由度影响较大;增加爆炸冲击时间常数，芯层结构在传递动量方面优于整块板性能降低。Makinen用一维有限差分法研究复合面板聚合物泡沫芯层夹层梁的流固相互作用。Kinen用数值法及有限元法研究简化的一维夹层板水下横向冲击非线性响应，分析包括流体中空化现象的出现、空化区域、流固相互作用。谌勇等［33］对弹性泡沫芯层一维夹层结构受远场水下非接触爆炸时响应进行理论建模分析，采用集中质量法描述芯层的大变形;用分段模型描述考虑冲击波入射、流体空穴、二次加载及结构回弹等一系列过程的流固耦合因素，并通过求解联立微分方程组获得结构的爆炸响应。Mori等研究了芯层相对密度为4%的不锈钢方形蜂窝及金字塔折架夹层板在水下冲击载荷作用下的响应特性，探讨金属夹层板与等质量实体板抗冲击性能差异、夹层板破坏模式及有限元模拟结构响应的准确性。Tilbrook等［34］用ABAQUS分析正交各向异性粘塑性连续介质芯层夹层梁水下爆炸的动态响应表明，忽略流固作用的分析仅能提供后面板弯曲与支反力的评估。

4 芯层结构形式研究现状

随制造工艺的发展，芯层形式越来越多。夹层结构按芯层结构形式可分为连续型、离散型。按夹层数量可分为单层、多层。按夹层抗弯刚度强弱可分为刚夹芯、柔夹芯、半刚硬夹芯。芯层形式有泡沫(如聚氨酯泡沫、PVC泡沫)、蜂窝(如正方形、正六边形、Nomex蜂窝、三角形、圆管)、金字塔、八面体网架、棱柱、波浪型等。而泡沫、蜂窝型应用最早、最广泛。

任志刚等分析聚氨酯泡沫复合夹层板的抗爆特性，并与钢混凝土板及混凝土板进行了比较。Steeves等用ABAQUS研究受三点载荷作用的玻璃纤维/环氧基树脂面板PVC泡沫夹层梁倒塌机理。Baral等［35］通过研究全厚度加筋夹层板的冲击性能表明，碳纤维泡沫芯层夹层板较蜂窝芯层夹层表现更好。徐小刚等［36］用SPH单元与壳单元相结合方法对正六边形蜂窝夹芯板进行了超高速碰撞仿真研究。Aktay等［37］研究高速冲击下的PEI、Nomex蜂窝芯层夹层板表明，单元消除技术用于分析蜂窝芯层挤压失效。Liew等［38］研究了中间用J型钩子连接的混凝土芯层与钢面板夹层梁的冲击性能。Torre等研究了玻璃纤维聚酯基面板泡沫芯层和玻璃纤维苯酚基质面板波浪型芯层夹层结构的冲击响应，波浪型结构较传统夹层结构能量及强度吸收更好。Heimbs等［39］对编织加强芳族聚酰胺纤维锯齿形芯层夹层结构在压缩、剪切、冲击下的力学性能进行评估指出，双折叠芯层结构在吸能于残余强度上具有优势。Xue等用ABAQUS对均匀分布爆炸载荷下的夹持圆形理想弹塑性材料正方形桁架夹层板进行初步评估认为，夹层板性能优势在小能量冲击下更加明显。Qiu建立了在中心小区域受冲击载荷作用下整块梁和蜂窝、金字塔、棱柱、金属泡沫芯层夹层梁响应的解析模型。Rardford等［40］研究由金属泡沫抛射体在不锈钢整块梁与夹层梁跨距中间加载的动响应表明，金字塔夹层梁的冲击抵抗力最弱，波浪型、泡沫夹层梁最高。赵桂平等［41］用LS-DYNA分析三种夹层板的冲击动态响应认为，在泡沫子弹冲击下，泡沫金属夹层板吸能量最多;在刚性子弹高速冲击穿透下，格构式夹层板吸能性能较泡沫夹层板好，波纹形夹层板吸能最高。张健等［42］用MSC.Dytran研究水下爆炸载荷下离散型与紧密型圆管夹心板的吸能能力、加速度及变形量，离散型夹心板抗爆性能优于紧密型夹心板与普通平板。王自力等［43］利用MSC.Dytran分析水下爆炸冲击波载荷作用下V型、X型激光焊接夹层板的损伤机理，两种夹层板流固耦合力减小、变形减小、吸能增加;并利用MSC.Dytran对三角形折叠式及四棱柱蜂窝式夹层板舰船双层底结构进行仿真，对新式夹层板防护性能进行了评估。Wadley等［44］研究水下平面冲击下刚性支撑正方形、三角形、多层金字塔桁架、三角形波浪及菱形波浪五种不锈钢夹层板的压缩响应表明，桁架及波浪型芯层强度更低。Jiang等用LS－DYNA分析聚合物复合层面板两层蜂窝芯层夹层结构在低速冲击下的芯层局部位移表明，两层结构较单层结构局部破裂抵抗力更好。王宇新等应用冲击载荷作用下材料动态本构关系对冲击波在半无限长钢面板多孔铝3层介质中的传播规律进行计算。Wadley等通过研究不锈钢多层金字塔桁架夹层的爆炸压缩响应人为，两层芯层夹层板较单层芯层夹层板表现更好。Wang等［45］研究两种泡沫芯层夹层结构的爆炸抵抗力及吸能表明，低密度/中密度/高密度布排的芯层结构较中密度/低密度/高密度布排的芯层结构抵抗力更好。中密度/低密度/高密度泡沫芯层结构变形能量稍大，但总能量损失及变形能量几乎相同。Yang等［46］研究四种不同排列芯层圆形夹层结构在全局、局部爆炸载荷下响应，并考察聚脲弹性泡沫附加隔层对增强抗爆抵抗力、吸能、应力分布、损伤影响表明，附加层能防止剪切失效，应力分布更平稳。Liu等［47］用有限元模拟不同梯度铝泡沫芯层金属夹层中空圆筒的空气爆炸响应及抗冲击性能，相同爆炸载荷下，梯度圆筒径向扰度较非梯度圆筒小，抗爆性能更优。Yungwirth等［48］评估了不同聚合物及陶瓷填充物在不锈钢金字塔格子芯层夹层板穿孔抵抗力能力，并对不同方案填充的三维点阵夹芯结构抗弹道冲击性能进行比较。田培培等［49］数值模拟了金属泡沫及陶瓷填充金属格栅波纹型、蜂窝型、加强六边形结构冲击。

5 设计参数对冲击性能影响研究现状

目前，有关结构设计参数对冲击性能影响的研究主要集中在面板芯层厚度、芯层密度、芯层材料、内部芯层结构形式、应变率、曲率、粘性效应及微损伤。

Anderson等研究了石墨/环氧基树脂面板泡沫芯层和蜂窝芯层夹层结构的低速冲击损坏，认为厚面板高密度泡沫芯层增加了产生损坏所需能量。Liang等运用FDM、BPM算法并考虑结构屈曲及失效行为对金属波浪型芯层夹层板爆炸进行优化设计的结果说明，波浪支柱、波浪角、芯层厚度与波浪距是芯层屈曲强度重要设计参数，波浪支柱及面板厚度是面板轴向应力重要设计参数。Zhu等［50］研究了铝合金蜂窝芯层夹层板的爆炸变形及破坏、面板厚度与芯层密度对后面板变形影响。宋延泽研究了泡沫子弹加载面积、芯层相对密度及芯层厚度对泡沫金属夹芯板变形影响。Chi等［51］通过研究芯层高度、面板厚度对空气爆炸下低碳钢面板铝蜂窝芯层圆形夹层板响应影响表明，增加芯层及面板厚度，可减少后面板变形。杨永祥等［52］采用MSC/Dytran模拟蜂窝夹芯层结构在横向冲击载荷作用下的渐进屈曲过程指出，密度是影响耐撞性能的关键因素，芯层高度对耐撞性影响不大。Wang［53］对纸蜂窝夹层板的冲击行为及吸能进行动态缓冲实验表明，增加芯层相对密度，能量吸收线性增加。芯层厚度对缓冲性能有上下波动影响，随芯层厚度的增加，影响越弱。Rhodes对多种夹层结构进行冲击实验认为，增加芯层材料的挤压强度可增加结构的冲击抵抗力。Goldsmith等通过分别研究用球状、圆锥、圆柱钢抛射体垂直入射铝及丙烯腈苯乙烯面板蜂窝芯层夹层板轴向穿孔特性及冲击界限表明，面板主要抵制穿孔，冲击界限不完全受复合物类型、孔尺寸或墙直径影响。Park等［54］通过评价碳/玻璃和环氧基树脂两种面板类型的Nomex蜂窝芯层夹层结构低速冲击损坏抵抗力人为，面板刚度越低，芯层厚度对抵抗力影响越大。Wang等［55］对纤维加筋层压复合板及金属铝面板蜂窝芯层夹层结构进行的低速冲击实验表明，失效非常依赖于芯层急面板材料;编织玻璃/环氧基树脂面板较金属面板冲击抵抗力更好。康建功等分析了碳纤维增强与否、在不同位置碳纤维增强层对泡沫铝夹芯梁抗爆性能影响认为，碳纤维增强层可减小泡沫铝夹芯梁下面板位移及芯材压缩应变;爆炸荷载冲量越大，碳纤维增强层对抗爆性能提高越明显。Tagarielli等［56］用 ABAQUS计算弹性面板弹塑性芯层夹层梁的动态冲击响应，通过选择高失效应变纤维合成物，可使梁的冲击抵抗力增加到最大限度。康建功等［57］提出两端固支泡沫铝夹芯梁在跨距中间受冲击作用下的动力响应简化理论计算方法，并考查面板材料及芯材厚度对梁跨距中间位移影响。Nguyen等用Sandmesh预测低速冲击下蜂窝芯层和折叠芯层夹层结构损坏，研究表明，材料动态行为对内部芯层结构形式敏感，直接关系到折叠芯层及面板的损坏程度。Karagiozova等［58］用 ABAQUS研究软钢面板铝蜂窝芯层夹层板在均匀局部爆炸载荷下行为表明，传递到后面板的力依赖于载荷强度、芯层厚度、芯层结构形式。Hazizan等通过玻璃纤维/环氧基树脂面板铝芯层速度敏感度实验发现，复合面板弯曲模量与铝芯层剪切模量不能说明任意应变率敏感度。Qiu等用ABAQUS分析夹持夹层梁受冲击载荷作用下动态响应认为，钢的弹性与应变硬化对响应影响较小，芯层压缩强度对响应影响有限。Radford等［59］用ABAQUS研究金属泡沫芯层夹层板爆炸响应认为，在泡沫发射体大冲击下，考虑应变率的模型对弯曲有点过预测，应变率对增加冲击抵抗力起重要作用。Shen等［60］进行铝面板铝泡沫芯层弯曲夹层板在空气爆炸载荷下强度实验表明，弯曲夹层板的最初曲率会改变弯曲变形及倒塌模式。张明华等［61］通过测试不同子弹冲击速度下纯铝板与泡沫铝夹层板的抗侵彻性能表明，由于泡沫铝的粘性效应及微损伤演化，应力波在夹芯板传播过程中衰减现象明显。

6 展望

为实现层次功能性，获得更好的综合力学性能，可采用由传统蜂窝形状周期性规则排列的组合蜂窝结构。考虑单层结构在对水下近距离爆炸防御的有效性，可通过设置多层结构减弱水下爆炸对内部造成的破坏。夹层结构中空芯层可为设计提供空间，在芯层孔隙中填充材料组成新型复合结构成为当前研究热点。聚合物填充能衰减冲击波透射;粘性物质填充能增强阻尼;泡沫填充能增强缓冲;硬质聚合物及陶瓷填充能增强抵抗冲击侵彻穿透;增强技术能增强泡沫夹层结构层间强度、损伤容限及能量吸收性能。目前，夹层结构冲击问题研究大多集中于梁、板等简单结构。主要原因为由于分析复杂结构时，不仅需考虑结构的整体性，且因其特殊的变形机制，模拟代价较高。因此如何提高计算效率成为对真实结构分析的关键，可选择均匀化等效方法。由优化角度，需研究不同部位的材料属性、结构形状、尺寸对抗冲击性能影响。同时研究参数与冲击能量的具体关系，并优化各组成部分能量吸收比例。另外，给定冲击输入，建立完整理论体系描述不同功能与设计参数的定量准则，须开展结构宏观性能的多功能目标优化研究。

7 结论

本文通过回顾国内外对夹层结构冲击动力学研究现状发现，理论研究相对较少，主要以数值方法及实验研究为主。数值仿真允许分析复杂边界条件及材料行为，在理解结构变形失效机理、识别参数、预测内应力、应变等方面为有效工具，且精度较高。实验研究能观测变形过程，但要精确测量应力、应变尚不现实，且实验技术难度大。而研究内容主要包括:响应阶段、失效模式、损伤过程、能量吸收、流固耦合机制、流固耦合力、冲击波传播、空化效应、应变率强化、均匀化计算方法及面板材料、芯层厚度、相对密度、炸药当量和填充材料等对抗冲击性能影响，并以金属材料为对象展开，对蜂窝、泡沫芯层研究较多。研究表明，夹芯结构抗冲击性能优异，抗爆抗冲击性能优于等质量均质板，将低强度泡沫铝、聚合物和陶瓷等填入多孔材料复合结构能有效衰减冲击波透射强度。但影响结构冲击性能因素较多，机理较复杂，而三维拓扑结构会增加分析难度。结构压缩强度及能量吸收性能主要依赖于破坏模式的芯层形式、相对密度及制作材料强度。

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