六层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的冲击实验

张振华，牛闯，钱海峰，王媛欣

海军工程大学舰船工程系，湖北武汉 430033

六层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的冲击实验

张振华，牛闯，钱海峰，王媛欣

海军工程大学舰船工程系，湖北武汉 430033

为研究多层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的抗爆性能，加工制作了六层金字塔点阵夹芯板结构模型，通过水下爆炸实验，揭示了多层金字塔点阵夹芯板结构的变形模式，并对模型结构进行数值仿真，分析了夹芯板结构的吸能情况。上面板呈整体下沉变形模式；金字塔点阵夹芯结构存在动态屈曲变形模式；屈曲芯层之间的夹层板呈波浪褶皱变形；下面板呈平台变形模式，靠弯曲和拉伸变形吸能。实验结果表明：夹芯结构的第1层和第6层破坏较为严重，同时由于夹芯层的吸能作用，对下面板起到了一定的缓冲防护作用。关键词：金字塔点阵；夹芯板；水下爆炸；吸能；实验研究；数值仿真

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.014.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：张振华，牛闯，钱海峰，等.六层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的冲击实验［J］.中国舰船研究，2016，11（4）：51-58，66.

ZHANG Zhenhua，NIU Chuang，QIAN Haifeng，et al.Impact experiment of six-layer pyramidal lattices sandwich panels subjected to near field underwater explosion［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（4）：51-58，66.

0　引　言

近年来，将点阵结构应用到舰艇上以提高其抗爆抗毁伤性能的研究引起了舰船学术界的关注。对于点阵夹芯结构的研究，国内则主要集中于其静态力学性能。熊健等［1］提出利用碳纤维预浸料细条通过模具来制备金字塔点阵结构，并利用此制备工艺制作出4种成型的金字塔点阵结构，通过平压和剪切实验研究了金字塔点阵结构的静态力学性能和失效破坏机理。钱海峰等［2］研究了金字塔点阵单元结构准静态压缩力学性能，发现杆件产生塑性屈服，最终在杆件中间部位断裂，其节点强化效果比较明显。曾涛等［3］通过实验研究了金字塔点阵夹芯结构的压缩力学性能，并揭示了其破坏机理。此外，还有学者研究了Kagome点阵夹芯板、蜂窝型夹层板在冲击载荷下的动态响应［4-5］。

针对水下爆炸冲击波对船体板架结构的毁伤效应，学术界已经有了一定的研究［6-10］。而目前针对多层金字塔点阵夹芯结构在遭受水下近距爆炸载荷下动态响应分析的文献则较少［11-12］。Xue 和Qiu等［13-14］研究发现，经过优化设计的夹芯板的抗爆性能相较于等质量实心板有显著提高。Wadley等［15-16］研究了金字塔点阵夹芯板结构准静态力学性能及其在水下爆炸冲击载荷作用下的压缩响应，其模型是安置在一个固定的托盘上，因此其下面板被完全固定，无法研究背板的冲击损伤情况，主要研究夹芯层的压缩量。为探究多层金字塔点阵夹芯壳板结构遭受水下近距爆炸载荷时的抗爆性能，本文将设计并加工制作六层金字塔夹芯结构，将该结构置于室内爆炸容器内实施水下近距离爆炸实验，以揭示金字塔点阵夹芯板结构的变形模式，并对模型进行数值仿真，研究夹芯板的吸能情况，为金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的吸能机理的理论研究提供支撑。

1　实验模型设计加工

模型包括3个部分，金字塔点阵夹芯壳板结构、水密罩和支座，其中金字塔点阵夹芯壳板结构为模型的主要组成部分，主要由上、下面板、夹芯层和层间夹板组成，下文将分别给出各构件的设计尺寸。

1.1金字塔单元结构

金字塔点阵夹芯壳板结构的夹芯层由金字塔单元按照一定的方向周期性重复排列构成。图1所示为金字塔夹芯单元结构的设计尺寸图。每个金字塔单元由4个圆杆元和上、下面板单元组成。其中，每个杆元的长度为50 mm，直径为3.8 mm，每个杆元与其在下面板投影的夹角为45°，金字塔单元上、下面板均为正方形，边长为50 mm。由杆元组成的金字塔高度为35.36 mm。

1.2点阵夹芯结构

图1　金字塔单元结构的设计尺寸图Fig.1　The size of the pyramidal lattices structure

模型夹芯层一共有6层，每层单元结构按10×10在2个方向上排列，上面板长度和宽度均为510 mm，厚度为5 mm。层间夹板是夹芯层之间起到连接作用的薄板，其长和宽均为510 mm，厚度为2 mm。下面板长度和宽度均为500 mm，并向四周延伸200 mm的边距，以作为固支边。厚度为5 mm，材料为屈服强度为250 MPa的普通钢。在下面板每个边上加工6个直径为15 mm的圆孔，以便将金字塔点阵夹芯板结构安装在底部支座上。圆孔间距均为100 mm。

由于存在加工误差，对加工成型的实物模型（图2）进行测量。将模型的4个边分别命名为A，B，C，D边。每个边抽取2个位置测量，4条边上模型高度（不计上下面板板厚）的平均值分别为255.0，252.3，253.0和255.0 mm。

图2　六层金字塔点阵夹芯板结构加工成型图Fig.2　Finished six-layer pyramidal lattices structure

1.3支座及边界设计

设计支座的主要目的是模拟金字塔点阵夹芯板结构的空背环境。加工支座四周围板及上板使用的钢板厚度为15 mm，底部密封钢板厚度为2 mm。支座内空高为200 mm，支座上板在相应位置加工24个直径为15 mm的圆孔，与夹芯板结构下面板及压条上的圆孔相配合。设计压条的目的在于将模型的下面板固定在支座上，在压条上与支座相应的位置同样加工24个直径为15 mm的圆孔，将压条与支座用螺钉固定，使下面板处于固支约束。

1.4水密罩

实验中模型内部为充满空气的状态，因此设计水密罩结构以保证模型的水密性。水密罩设计为1个706 mm×706 mm×238.13 mm的立方体，无下面板，上面板正中间有一个470 mm×470 mm的方孔。水密罩的内空高度为夹芯板结构模型的总高度，即设计值为235.13 mm。水密罩钢板厚度为3 mm。

模型各组成构件加工完毕后，用螺钉将支座、夹芯板结构模型、压条紧固在一起。水密罩与模型接触部位涂防水胶。实验模型整体结构如图3所示，图中单位为mm。

图3　实验模型整体结构Fig.3　Whole structure of the experiment model

2　实验实施

2.1爆炸实验工况的确定

目前实验室可供选择的铸装标准TNT装药有200和110 g这2种规格，表1所示为各种规格装药在不同爆距作用下的入射冲击波峰值压力和比冲量的值。

表1　实验室可提供的工况Tab.1　The conditions of laboratory

在确定爆炸实验工况时，主要综合以下2个方面的因素：

1）本实验模型面板尺寸为510 mm×510 mm，相当于实艇尺度中的一小块，因此大部分情况下冲击波应该是接近平面波冲击到结构上的，在能够满足实验要求的情况下，拉大爆距可以近似满足平面波的要求。

2）水下爆炸的冲击力度不可太弱。由于水下近距爆炸实验为破坏性实验，因此1个模型只能进行1个工况的实验。如果水爆冲击力过弱，实验模型可能处于弹性变形或者微量塑性变形，这样无法激发出芯层结构的全部变形模式，并且背板没有塑性变形，会导致无法研究金字塔点阵结构的抗爆抗冲击能力，从而导致实验结果失去其应有的意义。

从表1可以看到，为了能够得到更多芯层结构的变形模式，综合考虑以上2点，将模型的爆炸工况定为表1中的工况2，即装药量200 g TNT，爆距为50 cm。

2.2实施实验

实验在大型室内爆炸容器内实施（图4），实验前先采用双金字塔定位方法对装药进行定位，以确保爆距和载荷准确。完成炸药安装后，对爆炸容器进行注水，使水位达到预定位置。再次确认所有设备处于正常待触发状态，关闭爆炸容器，起爆装药。实验结束后进行模型回收。

3　实验结果与分析

3.1金字塔单元结构的变形模式

从实验结果来看，在模型的第1，2，5和6层夹芯层上，单元结构主要为塑性屈曲变形模式。在这些单元上可以观察到杆件有明显的塑性屈曲变形。在第1层的边缘处存在水密罩和上面板的搭接，同时由于结构的不连续，影响了单元结构的变形（图5（a））。

图4　实验实施情况Fig.4　The situation of experiment implement

从夹芯层的变形情况可以看到，与下面板相邻的第6层夹芯层与其他几层比较，其单元结构的破坏更为严重（图5（b））。而第3层和第4层的单元结构，观察不到明显的塑性变形。

图5　金字塔单元的屈曲变形模式Fig.5　Buckling deformation of pyramidal elements

3.2上面板的变形模式

水下近距爆炸，可认为球面冲击波同时到达上面板，并且由于上面板较厚，呈整体下沉变形。观察到模型上面板边角处有弯曲变形，这是因为结构在边界处不连续，周围没有对其支撑的结构，同时水密罩和上面板边缘的搭接对结构的边缘变形有影响，但这不影响上面板中间部分的变形模式。

3.3夹层板变形模式

夹层板的变形情况与其连接的芯层变形情况有关。屈曲芯层之间的夹层板呈波浪褶皱，主要是第1和第2层夹芯结构之间、第5和第6层夹芯结构之间的夹层板。第3和第4层夹芯结构之间的夹层板接近平面形状，只有微量变形。

3.4下面板的变形模式

研究金字塔点阵结构夹芯板的一个重要目的是分析其下面板的抗损伤能力，如果能保证下面板不变形或者少变形，则可以达到舰艇结构抗爆抗冲击的目的。因此对于实验模型下面板的变形需要进行详细的观测和测量。观察到下面板呈平台变形模式（图6）。

图6　上、下面板及夹层板的变形Fig.6　Deformation of the sandwich panels

从下面板的四边分别量取平台突起的高度，取其平均值作为下面板的最终塑性变形值（表2）。

表2　下面板变形（平台突起的高度）Tab.2　Deformation of bottom panels

3.5模型损伤情况及测量

从图6中也可以看到夹芯层整体变形情况。与下面板相接的第6层夹芯层的压缩变形较大，第2，3，4和5层的夹芯层变形相对较小，而与上面板相接的第1层夹芯层变形又略大。

在模型的4个边上均匀取5个测量点，与下面板每边上的圆孔对应。测量模型夹芯层在爆炸冲击后的厚度，即模型上面板和下面板之间的距离。表3给出了各位置的厚度测量值及压缩量和压缩比。其中B1，B5，C1和D1的测量值由于受到上面板边角处的下榻而偏小，所以在计算夹芯层整体压缩变形时将其剔除。夹芯层的压缩量和压缩总应变，其平均值分别为32.8 mm和12.93%。

表3　模型实验后芯层厚度及压缩应变Tab.3　Lattice's thickness and compression strain after experiment

4　金字塔点阵夹芯板结构的动态响应仿真

为分析夹芯板结构在水下近距爆炸载荷作用下应力响应及变形吸能情况，利用MSC/DYTRAN软件进行数值模拟。仿真模型的尺寸及水下爆炸工况与实验一致。

4.1变形分析

图7所示为夹芯板结构变形仿真过程。从图中可以看出，4.5 ms之后，模型的整体变形逐步趋于稳定，第1和第6层夹芯层的杆件大部分发生塑性屈曲变形，且第6层的杆件变形更大些，第2，3，4和5层夹芯层变形相对较小。结构的变形分布呈现“两头大，中间小”的形态。下面板呈平台变形模式，同时第2，6层夹层板发生了褶皱变形，与实验结果吻合。仿真所得夹芯层压缩量为30 mm，与实验结果相比误差为8.5%，压缩应变为14.14%，误差9.36%，下面板变形值为21.7 mm，误差18.1%。

4.2应力分析

图8和图9给出了上、下面板在起爆后2个时刻的应力情况，图10为各主要变形的面板及最中间的面板中心处的应力时程曲线。可以看到，上、下面板中心处应力的峰值远大于其他面板中心处的应力峰值，最中间的第4层夹板中心处应力最小。上面板中心处的应力在起爆后1.9 ms达到峰值349.1 MPa，下面板中心处的应力在2.05 ms达到峰值423.8 MPa；第2层夹板中心处应力在1.75 ms达到最大值217.7 MPa；第6层夹板中心处应力在2.05 ms达到最大值135.4 MPa；2 ms以后，第4层夹板中心处应力一直在较低水平振荡，峰值不超过50 MPa；1.8～4 ms，下面板中心处的应力值始终处于很高水平，在400 MPa量级。

图7　夹芯板结构变形仿真过程Fig.7　Simulation process of pyramidal lattices deformation

图8　上面板应力云图Fig.8　The stress contours of upper panel

图9　下面板应力云图Fig.9　The stress contours of bottom panel

图10　各面板中心处应力时程曲线Fig.10　Stress curves of the center points of six panels

4.3变形吸能分析

图11给出了10 ms时刻夹芯板结构及上、下面板的变形能云图。此时结构的变形、应力和变形能都已经稳定，因而可将此时的变形能作为仿真的最终值。表4给出了10 ms时各夹层板及夹芯的变形能。从表5可以看到第1和第6层夹芯和下面板吸收了整个结构所接收到的93.71%的能量；其中，第1和第6层夹芯吸收的能量占所有芯层吸收能量的97.26%，占整个结构总能量的68.61%，对下面板起到了很好的防护作用。下面板吸收的能量远大于其他面板吸收的能量，占所有面板吸收能量的85.23%。整个结构的吸能也呈现“两头大，中间小”的形态，与结构变形和应力的分布大体一致。

图11　夹芯结构最终的变形能云图Fig.11　Ultimate distortion energy contours of pyramidal lattices structure

表4　各夹层板及夹芯变形能Tab.4　Distortion energy of panels and lattice cores

5　结　论

本文设计加工制作了六层金字塔点阵夹芯壳板结构模型，在爆炸实验容器内进行水下近距爆炸实验。详细给出了金字塔点阵夹芯壳板结构在水下近距爆炸冲击载荷作用下的实验过程和结果，并利用MSC/DYTRAN软件对夹芯板板结构在实验工况下的动态响应进行了数值仿真，可以得到以下结论：

1）通过六层金字塔点阵夹芯壳板结构模型的水下爆炸实验发现，在模型的第1，2，5和6层夹芯层上，单元结构存在动态屈曲变形；第3层和第4层的单元结构，观察不到明显的塑性变形。在冲击强度增大或者模型的边缘，也可能会出现断裂的模式。

2）实验发现第1层和第6层夹芯的变形破坏比其他芯层更严重，且与这2层相连接的夹层板呈波浪褶皱变形，数值计算得到这2层芯层吸收的能量占整个结构总能量的68.61%，占所有芯层吸收能量的97.26%，对下面板起到了很好的防护作用；而夹层板的变形较小，数值计算得到的夹层板中心处应力远小于上、下面板中心处应力，不超过220 MPa，所有夹层板吸收的能量只占结构总能量的1.82%。结构变形和吸能的分布能呈现“两头大、中间小”的形态。

3）实验发现上面板整体下沉，下面板呈平台变形模式，其最终塑性变形的平均值为26.5 mm；实验得到夹芯层的压缩量平均值为32.8 mm，数值计算得到夹芯层压缩量为30 mm，与实验结果相比误差为8.5%，下面板变形值为21.7 mm，误差为18.1%，下面板吸收的能量远大于其他面板吸收的能量，占所有面板吸收能量的85.23%，占整个结构能量的25.1%，上、下面板中心处应力峰值分别为349.1和423.8 MPa。

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Impact experiment of six-layer pyramidal lattices sandwich panels subjected to near field underwater explosion

ZHANG Zhenhua，NIU Chuang，QIAN Haifeng，WANG Yuanxin
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

To investigate the explosion resistance of multilayered pyramidal lattices panels subjected to near field underwater explosion（UNDEX），the UNDEX experiment is carried out，the distortional energy of the model is simulated，which reveals the deformation mode of multilayered pyramidal lattices.The whole pyramidal lattices structure presents dynamic buckling deformation，and in particular，the thicker upper panel is seen to have integral settlement deformation，sandwich panels between buckling cores present wave wrinkle deformation，and the bottom panel absorbs energy through bending and tensile deformation. The results show that though the first and sixth sandwich cores are more severely damaged，the energy absorption of sandwich cores protects the bottom panel to a certain extent.

pyramidal lattices；sandwich panel；underwater explosion；energy absorbing；experimental research；numerical simulation

U661.43

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.008

2015-12-03网络出版时间：2016-7-29 9:45

国家级重大基础研究项目；国家自然科学基金资助项目（51409253）

张振华，男，1976年生，博士，副教授。研究方向：舰船结构毁伤力学。E-mail：2zsz@163.com

牛闯（通信作者），男，1991年生，硕士生。研究方向：舰船结构抗爆抗冲击。

E-mail：1359504406@qq.com