水下冲击波作用的铝合金蜂窝夹层板动力学响应研究

任　鹏， 张　伟， 刘建华， 黄　威

(1.江苏科技大学 船海学院，江苏　镇江　212000； 2.哈尔滨工业大学 高速撞击研究中心，哈尔滨　150080)



水下冲击波作用的铝合金蜂窝夹层板动力学响应研究

任鹏1,2， 张伟2， 刘建华1， 黄威2

(1.江苏科技大学 船海学院，江苏镇江212000； 2.哈尔滨工业大学 高速撞击研究中心，哈尔滨150080)

摘要：为研究铝合金蜂窝夹层板水下爆炸冲击波载荷作用的动态响应及抗冲击性能，利用非药式水下爆炸冲击波加载装置对气背固支5A06铝合金夹层板及具有相同面密度的单层板进行水下冲击波加载试验。利用高速相机结合三维数字散斑技术(DIC)对夹层板后面板动态响应进行实时测量，获得夹层板气背面受水下冲击波作用的动态响应历程及变形毁伤模式，比较分析铝合金蜂窝夹层板抗冲击防护性能。结果表明，较相同面密度的单层板，蜂窝夹层板受水下冲击波载荷作用的芯层压缩能有效减少气背面板的塑性变形，提高夹层结构整体抗冲击性能。

关键词：固体力学；水下冲击波；蜂窝夹层板；抗冲击性能；数字图像相关方法

水下冲击波防护能力作为舰艇及民船设计建造中不可忽略重要因素一直成为研究重点。随材料及结构工艺水平提高，夹层结构板的吸能防护优势逐渐凸显，并颇受关注[1-2]。如Fleck等[3-5]对具有不同面密度的多种芯层类型夹层结构板进行水下爆炸冲击波加载实验，并总结夹层结构板受冲击载荷作用时考虑不同夹层结构的变形特点。Dharmasena等[6]对不同芯层的固支夹层结构板进行水下爆炸冲击波加载实验，分析相同面密度下5类结构的抗冲击防护性能。Xue等[7]对相同质量蜂窝夹层板及单层板进行水下爆炸冲击波加载实验，不考虑断裂问题前提下研究面板及芯层厚度、相对密度及芯层曲率对夹层板结构抗冲击能力影响。Shukla等[8]对夹层板结构受冲击载荷作用的能量吸收及反射进行实验室内试验研究，在考虑二次压力脉冲加载下分析芯层密度及芯层与面板连接方式对结构整体吸能影响。受实验设备等条件限制，汪玉等[9-10]对该类问题研究主要基于数值仿真方法。赵隆茂等[11]对夹层结构抗爆防护性能研究主要集中在空气爆炸条件。

本文利用非药式水下冲击波加载技术对气背固支蜂窝夹层板受冲击波作用的动态响应及抗冲击防护性能进行实验研究，以期为我国现代化舰艇的轻型防护结构设计提供参考。

1实验方法

1.1非药式水下爆炸冲击波加载

Cole等[12]据大量实验结果总结出不同质量及起爆距离的水下冲击波强度计算公式，并获得爆炸冲击波衰减规律，即

p(t)=p0e-t/t0

(1)

式中：p(t)为加载任意时刻冲击波峰值；p0为冲击波初始峰值；t0为冲击波衰减时间常数。

为能在实验室内实现对目标结构的水下爆炸冲击波加载，设计制造出非药式水下爆炸冲击波加载实验装置，见图1。通过一级轻气炮发射金属飞片正撞击加载水舱端部活塞进行驱动。据声学近似原理，飞片正撞击活塞后在水舱x=0处产生呈指数型衰减冲击波，并沿x向传播，实现对目标靶板加载[13-14]。Espinosa等[15]均已验证该方法的有效性，并利用该项水下爆炸冲击波加载技术进行研究。

图1　非药式水下爆炸冲击波加载实验装置Fig.1 Experimental setup of non-explosive underwatershock loading

本文实验所用主加载水舱长500 mm，内径66 mm，舱壁厚12 mm。压力传感器分别安装于主加载水舱中点及距靶板20 mm处。测试靶板由6个M10螺栓与加载水舱连接，为防止冲击过程中螺栓孔径向出现过大拉伸变形导致靶板面内位移，在靶板外侧增加7 mm厚高强度环形夹具，防止靶板因面内位移产生变形异常。

实验用飞片及活塞材料均为45号钢，飞片厚10 mm、活塞厚23 mm时，标定获得加载到靶板的水下冲击波强度与飞片速度关系为

p0=kρwcwvf

(2)

式中：k=0.44为常数；ρw为水密度；cw为水中声速；vf为飞片撞击速度。

冲击波衰减时间常数仅与飞片及活塞质量有关，通过调整飞片撞击速度可改变着靶冲击波强度，调节作用于靶板的冲击波冲量。

1.2实验试件

本文所用蜂窝夹层结构板基体材料为5A06铝合金，其芯层为正六边形布局，夹层板前、后面板厚均0.8 mm，芯层厚hc=19.4 mm，夹层板芯层蜂窝壁厚tc= 0.025 mm，六边形拓扑结构边长l=6 mm，夹层板前、后面板分别用环氧树脂与芯层胶合，组合后蜂窝夹层板总厚为21 mm，见图2(a)。实验时将该夹层板切割成直径160 mm圆形，制作完成的蜂窝夹层板面密度约5.3 kg/m2，见图2(b)。

图2　蜂窝夹层板尺寸及边界条件Fig.2 Sketches of the honeycomb sandwich panel and clamped boundary condition

1.3靶板塑性大变形实时测量

水下爆炸冲击波载荷作用的目标结构动态响应实时测量为深入研究舰艇典型结构失效毁伤的重要基础。传统水下爆炸加载实验由于条件限制，只能检测加载后试件进行相关实验数据收取。随非药式水下爆炸冲击波加载技术发展，相关实验条件得到较大程度改善，使对靶板进行动态变形实时测量成为可能。荣吉利等[16-17]已验证该方法的可行性。本文利用非药式水下冲击波加载技术结合非接触式数字散斑测量对气背固支蜂窝夹层板的动态响应进行实时测量。

实验用非接触式3D-DIC软件为精确度最高、使用范围最广的Correlated Solutions公司VIC-3D，图像采集为两台可最高1000 000 帧/s拍摄的Photron-Fastcam-SA5高速相机。本实验选50 000 帧/s帧率进行拍摄，光源系统用4个1 000 W摄影灯。

2实验结果与分析

2.1蜂窝夹层板水下冲击波加载

各实验工况对应实验参数见表1。由表1看出，靶板塑性变形后最大无量纲挠度随飞片撞击速度增加而增加，但在该工况范围内靶板未见破裂。水下爆炸冲击波无量纲冲量及加载冲量分别为

(3)

(4)

式中：H为靶板初始厚度；ρt为靶板密度；σy为靶板屈服应力。

表1　5A06铝合金蜂窝夹层板受不同冲击波载荷作用试验参数

水下冲击波加载后夹层板典型变形见图3。此时冲击波无量纲冲量为2.63。由图3可见，蜂窝夹层板前、后面板均无明显破坏损伤，但前面板即与水接触的面板呈较大塑性变形；前面板螺栓孔呈明显拉伸变形，后面板螺栓孔保持良好。由文献[7]知，固支夹层板受水下冲击波载荷作用时前面板除呈面外位移外亦会有一定程度面内位移，会致低估夹层板吸能防护性能。

图3　水下冲击波加载后铝合金蜂窝板形貌Fig.3 The aluminium alloy honeycomb sandwich panel after test

2.2夹层板动态响应

利用非接触式数字散斑测量所得夹层结构气背面板动态响应历程见图4。飞片撞击速度为165.78 m/s，零时间点为靶板运动起点。由图4可见，夹层结构后面板受冲击波作用后变形，但未现明显塑性铰阶段，即平台现象未出现。靶板中心区域直接突起变形，但形状在变形初期并非完全对称，此因在冲击波作用下，前面板挤压芯层，芯层在变形初始阶段压缩不均匀所致；随冲击波加载，蜂窝夹层板后面板逐渐突起为类球冠形，中心点最终变形挠度约3.88 mm。

图4　冲击波作用下窝蜂夹层板后面板实时变形Fig.4 The visualization of real time measurement of out-plane displacement for honeycomb sandwich panel under underwater shock loading

图5为飞片撞击速度165.78 m/s时铝合金夹层板气背面板x方向拉应变场分布。由图5可见，最大应变位置在靶板中心区域，近似圆形分布，说明夹层板后面板变形均匀。

图5　后面板应变场分布Fig.5 The strain fields of back plate

图6　蜂窝板后面板中心点位移随时间变化曲线Fig.6 The center deflection of air-back plate of honeycomb sandwich panel

以上工况下非接触式测量的蜂窝夹层后面板中心点变形历程见图6。由图6可见，后面板变形初始阶段即小于0.1 ms时，靶板变形量较微小，仅0.3 mm，此因冲击波作用到前面板后会压缩中间蜂窝芯层，芯层在自身压溃的同时会对后面板产生轻微挤压所致；在0.1～0.35 ms之间时靶板中心点面外位移急剧增大，此因夹层板内部芯层被前面板压溃后，剩余冲击波冲量通过前面板及已压缩芯层共同作用所致；后面板中心点面外位移达最大值后，该点塑性变形趋于稳定，仅剩余小幅弹性振颤。

图7　冲击波加载后5A06铝合金蜂窝板切面形貌Fig.7 Cross-section of 5A06 aluminium alloy honeycomb sandwich panels after underwater shock loading

2.3蜂窝夹层板抗冲击防护性能

为进行5A06铝合金夹层板抗冲击性能对比研究，对5A06铝合金单层板进行不同工况的水下冲击波加载实验。铝合金蜂窝夹层板平均面密度为5.29 kg/m2(表1)，为保证两种结构板的可比性，实验选单层铝合金厚度为2 mm，平均面密度为4.90 kg/m2。其它参数与蜂窝夹层板实验相同，具体见表2。

表2　5A06铝合金单层板受不同冲击波载荷作用试验参数

工况2、5的铝合金单层板变形失效模式见图8。由图8可见，单层铝板在冲击波作用下变形均匀，但随冲击波强度增加，在环形夹具内边缘约束位置靶板呈边界剪切撕裂现象。当冲击波进一步加大时靶板受冲击部分会整体撕裂脱落，螺栓孔形状保持良好，说明本文所用固支边界条件能达到要求。

图8　5A06铝合金单层板变形形貌Fig.8 Deformation of 5A06 aluminium alloy single panels subjected to underwater shock loading

水下冲击波载荷作用下5A06铝合金蜂窝夹层板前、后面板中心最大变形见图9。由图9可见，靶板前、后面板最大挠度均随冲击波无量纲冲量增加而增加，且均近似线性关系，但前面板最大挠度随载荷增加幅度明显大于后面板。此因蜂窝夹层板芯层压溃吸能作用对后面板起到保护，阻止后面板大变形产生。后面板变形小亦说明蜂窝夹层整体抗冲击效果。

由于靶板在变形过程中气背面中心点面外位移量最大，因此该点变形量大小直接决定抗冲击性能。本文研究工况范围内相同面密度下单层5A06铝合金板及铝合金蜂窝夹层结构板气背面中心处最大塑性变形与冲击波无量纲冲量关系曲线见图10。由图10可见，两种结构板后面板中心点变形量随冲击波冲量变化趋势基本相同，但在相同冲量作用下单层板最终变形量远大于蜂窝型夹层板。说明以5A06铝合金为基体材料的单层板及铝合金蜂窝夹层板，面密度相同条件下蜂窝夹层板抗冲击作用远强于单层板。

由以上分析知，单层板及蜂窝夹层结构板气背面中心点变形量均与冲击波无量纲冲量呈线性关系，即

(3)

由图9知，两种类型靶板的η值均为零时可分别拟合得出对应的γ值，其对比见图11。由图11看出，γ越大的靶板抗冲击能力越弱。由此可求出蜂窝夹层结构相对相同面密度单层靶板能提高的抗冲击性能，5A06铝合金蜂窝夹层抗冲击性能较单层板增加77.34%。

图9 蜂窝板前后面板最大变形与冲击波无量纲冲量关系Fig.9Relationbetweenimpulseandmaximumdeflectionofhoneycombsandwichpanels图10 相同面密度不同类型靶板气背面中心最大变形与冲击波冲量关系Fig.10Relationbetweennon-dimensionalappliedimpulseandmaximumdeflectionofmiddlepointatair-backplateofdifferentkindofpanels图11 两类靶板抗冲击防护性能比较Fig.11Comparisionofshockresistanceoftwodifferenttypeoftargetplates

3结论

(1) 利用自行设计的非药式水下冲击波加载装置结合数字散斑技术，对相同面密度的气背固支5A06铝合金蜂窝夹层板及单层板受冲击波作用的抗冲击防护性能进行实验研究。获得蜂窝夹层结构板气背面板动态响应特点，并实现对气背面板动态变形过程的实时测量。

(2) 冲击波无量纲冲量小于3时夹层结构气背面板最大扰度与冲击波无量纲冲量成线性关系；相同面密度蜂窝夹层结构板抗冲击能力较单层板可提高77.34%。

参 考 文 献

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基金项目：国家自然科学基金项目(11372088;51509115)；江苏省高校自然科学研究面上项目资助(15KJB580005)；江苏科技大学学科立项建设项目资助

收稿日期：2014-10-17修改稿收到日期：2015-01-13

中图分类号:O347

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.02.002

Dynamic analysis of aluminium alloy honeycomb core sandwich panels subjected to underwater shock loading

REN Peng1,2, ZHANG Wei2, LIU Jian-hua1, HUANG Wei2

(1. Jiangsu University of Science and Technology, School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Zhenjiang 212000,China；2. Harbin Institute of Technology, Hypervelocity Impact Research Center, Harbin 150080,China)

Abstract:The dynamic responses and blast resistant properties of 5A06 aluminium alloy honeycomb core sandwich panels were investigated under impulsive loading in water. Underwater shock loading experiments for clamped aluminum alloy honeycomb core sandwich plates were conducted with a non-explosive underwater explosion shock loading device. Compared with the experimental results of monolithic panels with equivalent mass per unit area, the effects of sandwich panel structures on anti-shock performance were studied based on the experiments of underwater shock loading. The dynamic deformations of the air back plates with sandwich structure were measured in real-time by using the combined technique of high-speed cameras and 3D digital speckle correlation method (DIC). The dynamic response histories and failure modes of clamped air-back sandwich plates were observed to compare the blast resistant properties of aluminium alloy honeycomb plates with monolithic plates. The experimental results show that the blast resistant property of honeycomb structure plates can be effectively improved due to the core compression as compared with monolithic panels with equivalent mass per unit area.

Key words:solid mechanics; underwater shock wave; sandwich plate with honeycombs; blast resistant properties; digital image correlation

第一作者 任鹏 男，博士，讲师，1984年3月生