两种二级铝蜂窝结构缓冲吸能特性研究

李翔城，林玉亮，卢芳云，李志斌

（国防科学技术大学理学院工程物理研究所，湖南 长沙 410073）

两种二级铝蜂窝结构缓冲吸能特性研究

李翔城，林玉亮，卢芳云，李志斌

（国防科学技术大学理学院工程物理研究所，湖南 长沙 410073）

该文对二级串联式铝蜂窝结构和二级组合式铝蜂窝结构的缓冲吸能特性进行比较，从而实现对铝蜂窝缓冲吸能结构装置优化设计。通过准静态异面压缩实验，对两种不同正六边形胞元的铝蜂窝进行测试，分别得到这两种二级铝蜂窝结构的压缩变形过程和应力响应曲线，并对其变形机理进行分析。实验结果表明，二级串联式铝蜂窝和二级组合式铝蜂窝均能实现梯度平台应力响应，这有利于二级缓冲吸能结构的工程应用。此外，对于单轴压缩，二级组合式铝蜂窝的嵌入过程只有一个应力峰值并且其能达到更高的压实程度，但是峰值应力值较大，有待进一步优化。在吸能特性方面，与同一尺寸的二级串联式铝蜂窝缓冲器相比，组合式铝蜂窝缓冲结构的单位体积吸能效果稍强，尤其是单位质量吸能效果更好，可为缓冲吸能结构的优化设计提供新的选择方式。

组合式铝蜂窝；串联式蜂窝；缓冲吸能；异面压缩

0　引　言

铝蜂窝作为一种结构材料，具有密度低、压溃强度弱、压缩行程大的特点，是一种优良的缓冲吸能结构材料。正六边形铝蜂窝是一种正交各向异性材料结构，很多学者对其面内性质和异面性质都进行过研究［1-3］。其中，在缓冲吸能特性应用方面，主要是利用铝蜂窝的异面缓冲吸能性质，表现出良好的压缩不可逆性、高效性及稳定性；因此，在许多关键工程领域中应用非常广泛。特别是在快速发展的航天领域中，铝蜂窝结构缓冲器在减冲击装置和飞行器着陆器中均表现出优异的缓冲吸能性能［4-5］。此外，铝蜂窝作为缓冲吸能材料在汽车碰撞与减振过程中也发挥着重要作用［6］。

铝蜂窝的制造较为通用的加工方式是拉伸成形法。但是由于加工工艺的限制，铝箔材料沿异面方向厚度最大为150mm［7］。所以，当要求压缩行程大于工艺限制时，需要考虑多级铝蜂窝缓冲吸能结构的设计，并对多级蜂窝结构的稳定性和缓冲吸能性能进行优化。这样不仅可以降低加工难度，同时通过不同结构或规模的铝蜂窝组合使用，可以得到目标梯度平台应力响应曲线［8］，进而实现对缓冲吸能材料或结构的应力响应方式进行设计。

目前国内外一般采用多级铝蜂窝串联的方式来实现缓冲吸能结构的优化。李萌等［9］对铝蜂窝串联缓冲吸能结构进行了准静态压缩仿真及实验研究，实现了对铝蜂窝串联结构的参数化建模仿真；结果表明，与单层铝蜂窝结构相比，串联式蜂窝结构表现出更加优良的吸能特性。Yasui［10］通过对3种不同材料的铝蜂窝进行冲击测试，提出金字塔形串联新型组合结构，并发现金字塔结构相比同一尺寸的蜂窝结构吸能性质更好。总之，串联式蜂窝结构在实际应用技术中越来越成熟。

林玉亮［11］在蜂窝响应曲线优化设计的基础上，提出组合式铝蜂窝缓冲吸能结构。文学军［12］和曹雷［13］研究了组合式铝蜂窝缓冲吸能结构的冲击响应性质并分析了减冲击的可行性。串联式蜂窝结构与组合式蜂窝结构在构形上具有较高的相似性，为了比较这两种蜂窝结构的缓冲吸能特性，本文通过准静态异面压缩实验研究二级串联式铝蜂窝结构和二级组合式铝蜂窝结构的力学特征曲线，分析两者之间的差异，并对两种二级蜂窝结构的吸能性质进行对比，进而为多级铝蜂窝缓冲器的优化设计与实际应用提供新的可选方案。

1　异面压缩实验

1.1试样及加载方式

准静态异面压缩试验在TAW2000电液伺服试验机上进行，加载速率设置为2mm/min；通过传感器记录载荷-位移曲线。所选取的铝蜂窝试样为正六边形铝蜂窝结构，其基体材料为Al5052，选用两种不同规格的铝蜂窝，胞元边长分别为1.87mm（疏蜂窝）和1.13 mm（密蜂窝），对应的蜂窝结构等效密度为104.0kg/m3和183.2kg/m3。为更好地比较二级串联式铝蜂窝和二级组合式铝蜂窝的缓冲吸能特性，将两种铝蜂窝试样通过线切割方式加工成相同尺寸：试样面内尺寸为30mm×30mm，厚度10mm，如图1（a）～图1（b）所示。同时，为了保证实现单轴加载，设计了由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制作的透明限位框，实验时将二级蜂窝结构试样放置在限位框内，如图1（c）所示。

图1　铝蜂窝胞元结构及限位框（单位：mm）

串联式蜂窝结构是在蜂窝叠层之间采用隔板隔开所构成的缓冲吸能结构；组合式蜂窝结构就是蜂窝叠加层之间不采用隔板隔开，存在蜂窝间相互嵌入作用的缓冲吸能结构。

二级组合式铝蜂窝结构试样采用两个方向交错排布（即相互成90°）的方式叠加在限位框内，如图2所示；二级串联式铝蜂窝试样在两个试样中采用薄铝板（30mm×30mm×0.4mm）隔开，薄铝隔板的质量为2.558 g。本文对上下两层分别为相同规格和不同规格的二级铝蜂窝结构进行了对比实验。

图2　组合式蜂窝结构俯视图

1.2相同规格二级蜂窝结构对比实验

对于相同规格的二级串联式铝蜂窝结构压缩可以分为两种情形，即薄铝隔板上下均是密蜂窝或疏蜂窝，记为H1.13-10 mm+H1.13-10 mm-CH与H1.87-10mm+H1.87-10mm-CH，其中“1.13”与“1.87”表示六边形胞元边长，“10mm”表示异面厚度，“CH”表示串联。变形过程以疏蜂窝为例，如图3所示。

图3　相同规格二级串联式铝蜂窝压缩过程

与单一正六边形铝蜂窝缓冲吸能原理相似，串联式蜂窝结构也是通过蜂窝胞壁结构的屈曲进行吸能的［14］。从图中可以看到，加载开始时上层靠近压头的蜂窝首先进行屈曲，进入弹性屈曲阶段，此时结构是可恢复的；紧接着隔板上层蜂窝结构进入塑性屈曲阶段，而下层蜂窝没有发生结构屈曲；当隔板上层蜂窝进入压实阶段，隔板下层蜂窝开始发生结构屈曲；直至隔板上下两级蜂窝都达到压实应变，进入两级结构的共同密实阶段。

需要说明的是，对于准静态压缩，蜂窝结构通常是从压头方向进行结构屈曲。但是对于串联蜂窝结构，因为实际加工过程不能保证上下两个蜂窝试样结构完全一致，故隔板上、下层蜂窝哪个先发生结构屈曲，具有一定的随机性。

同样，对于相同规格的二级组合式铝蜂窝结构压缩亦可以分为两种情形，分别是上、下均是密蜂窝或疏蜂窝，记为H1.13-10 mm+H1.13-10 mm-ZH与H1.87-10mm+H1.87-10mm-ZH。“ZH”表示上下两个蜂窝试样直接叠加组合，其变形过程以疏蜂窝为例，如图4所示。

和串联式蜂窝缓冲结构响应方式不同，组合式铝蜂窝首先是相同规格上下两级蜂窝的相互嵌入，如图4（b）所示，在这个阶段结构所起的缓冲作用是蜂窝薄壁相互剪切的结果。相互嵌入的过程在嵌入厚度达到单层蜂窝的异面高度时结束，如图4（c）所示。当上、下蜂窝完全嵌入之后，剩余结构进入共同压溃阶段，最后被压实，如图4（d）～图4（e）所示。

1.3不同规格二级蜂窝结构对比实验

对于不同规格二级串联式铝蜂窝缓冲结构，即薄铝隔板上、下分别为疏蜂窝与密蜂窝，记为H1.87-10mm+H1.13-10mm-CH。其典型的异面压缩变形响应如图5所示。

图4　相同规格二级组合式铝蜂窝压缩过程

与相同规格二级串联式蜂窝响应方式略有不同，因为上下两级蜂窝强度的差异，整个结构的变形首先是由强度较弱一级（疏蜂窝）先发生结构屈曲，当结构屈曲到一定压实应力时，第二级（密蜂窝）再进行薄壁折叠，产生结构屈曲，最后上下蜂窝层共同进入压实阶段。这种结构屈曲的顺序是可预判及可设计的。

对于不同规格二级组合式蜂窝缓冲结构，即薄铝隔板上、下分别为疏尺寸蜂窝与密尺寸蜂窝，记为H1.87-10mm+H1.13-10mm-ZH。其异面压缩变形响应与相同规格二级组合式蜂窝缓冲结构变形响应基本一致。

压缩后的二级蜂窝结构如图6所示。图6（a）为二级串联式蜂窝结构压缩后试样，可以看出压实后隔板上、下级蜂窝结构均比较规则，并且蜂窝结构几乎没有泊松效应。图6（b）为二级组合式蜂窝结构压实后状态，可以定性看出，其压实后的试样密实化程度比对等的二级串联式蜂窝结构密实化程度更高。

1.4两种二级蜂窝结构响应机理分析

二级串联式蜂窝结构与二级组合式蜂窝结构的响应方式机理示意如图7所示。

如图7（a），对于二级串联式蜂窝结构可以通过Wierzbicki［14］提出的超折叠单元理论解释，蜂窝的周期性折叠使得异面压缩过程中应力值出现一定的波动。而对于二级组合式铝蜂窝结构的缓冲机理主要可以分为两个部分：1）如图7（b）所示，胞壁相互交错排布，嵌入过程本质上就是薄板相互剪切的过程，因为蜂窝结构的嵌入强度弱于单层蜂窝结构的屈曲强度，故二级组合式蜂窝结构的嵌入过程先于蜂窝结构的屈曲过程；2）完全嵌入之后，再进行剩余结构的屈曲。剩余结构的等效密度可以认为是压缩前结构等效密度的两倍。正是由于响应机理的不同，这两种二级蜂窝结构缓冲吸能特性在表现相似性的同时，存在较大的差异性。

2　缓冲吸能特性分析

2.1缓冲特性

描述铝蜂窝缓冲吸能结构的缓冲特性物理量主要有峰值应力（包括一级峰值应力σp1与二级峰值应力σp2）、平台应力（包括一级平台应力σav1与二级平台应力σav2）与压实应变（εd）等特征参量。图8为二级蜂窝结构的应力应变关系曲线。每种结构所经历的应力响应曲线与前面描述的变形响应过程相符。表1为从图中提取的特征参量值。

压实应变选取方式为吸能效率-应力曲线中最大吸能效率时的压实应力对应的应变［15-17］，吸能效率的定义如下：

式中：σm——任意应力；

εm——与之对应的应变；

E——蜂窝吸收的能量与对应应力的比值。

当吸能效率达到最大值时，表明蜂窝在该应力值处吸能特性最好。

二级蜂窝结构也表现出较大的缓冲特性的差异：1）二级串联式蜂窝结构存在两个明显的峰值应力，大小为相对应结构的峰值应力；二级组合式蜂窝结构虽然只存在一个峰值应力，但是由于蜂窝完全嵌入之后结构等效密度翻倍，故其对应结构的峰值应力更高，林玉亮［11］分析这是等厚度组合式蜂窝结构相互嵌入的原因，对于不同厚度组合式蜂窝结构峰值应力会减弱。2）两种二级蜂窝结构受压后的密实化程度存在差异。二级组合式蜂窝结构的压实应变大于二级串联式蜂窝结构的压实应变。这是因为组合式蜂窝在嵌入阶段没有嵌入密实过程；而串联式蜂窝结构存在两级压实过程，故比对等的组合式蜂窝结构多一级压实部分。

图5　不同规格二级串联式铝蜂窝压缩过程

图6　压缩后试样

图7　二级蜂窝结构响应机理示意图

2.2吸能特性

二级蜂窝缓冲吸能结构的吸能特性是结构耐撞性研究的重点。实际应用中缓冲吸能结构的体积和质量往往都有所限制，特别是在航天领域中，缓冲吸能结构的质量越小、体积越小，经济成本越低。因此，缓冲吸能结构的单位体积比吸能（volumetric energy density）和单位质量比吸能（special energy absorption），是衡量缓冲吸能结构特性的特征参数。蜂窝结构的吸能大小采用变形响应到压实应变为止，此时蜂窝材料开始进入密实化阶段［18］。

图8　二级蜂窝结构应力应变关系

表1　二级蜂窝结构缓冲参数

由于蜂窝结构质量本身比较小，在计算二级蜂窝结构的等效密度时，薄铝板的质量不能忽略。图9为两种二级缓冲结构的体积比吸能曲线与质量比吸能曲线，可见两种比吸能曲线为两段线性线段。组合式蜂窝比吸能曲线在应变0.5处出现转折，而串联式蜂窝比吸能曲线在应变小于0.5处转折，这与2.1分析的组合式蜂窝嵌入过程没有嵌入密实阶段，而串联式蜂窝存在两级密实化过程的原因是相符的。从图9可以得到二级蜂窝结构的吸能特性参数，如表2所示。

图9　吸能特性对比

表2　二级蜂窝结构吸能参数

由表可知，组合式蜂窝结构的体积比吸能略大于串联式蜂窝结构的体积比吸能；由于薄铝隔板的影响，串联式蜂窝结构具有更大的等效密度，因此串联式蜂窝结构质量比吸能要明显低于组合式蜂窝结构。总体来说，可以认为，二级组合式蜂窝结构在吸能特性方面优于二级串联式蜂窝结构。

2.3限位框对二级蜂窝结构的影响

为了比较限位框对二级蜂窝结构缓冲吸能特性的影响，以二级组合蜂窝结构为例，分别进行了无限位框异面单轴压缩加载和有限位框异面单轴压缩加载，应力应变关系如图10所示。

从图中可以看出，限位框对蜂窝结构吸能特性基本没有影响。但在第2个峰值应力处两种曲线之间存在一定的差异。经过初步分析，我们认为在无限位框异面压缩加载过程中，部分试样发生了轻微局部倾斜，可以认为这种加载方式是异面压缩和面内压缩的复合加载的组合。文献调研表明［19］，面内压缩强度相对异面压缩强度较弱。但是这也为消除组合式蜂窝结构的峰值应力提供一种可能途径。

图10　有无限位框组合式铝蜂窝应力应变关系比较

2.4组合式蜂窝结构的优势

目前应用最为广泛的缓冲吸能结构是多级串联式铝蜂窝结构。通过以上分析，可以利用二级组合式蜂窝结构对缓冲吸能结构进行优化设计。

在保证吸能效果更好的前提条件下，组合式蜂窝结构最明显的优势是可以实现缓冲吸能结构的多级梯度平台应力响应。比如在航天领域，航天器着陆缓冲结构主缓冲器缓冲能力的方案设计要求实现多级应力平台；其一般是通过低、高两级梯度缓冲吸能结构组合来设计优化的［20］。因为较低一级应力响应可以使得承载结构重心快速下降，从而增加了着陆的稳定性；同时可以防止飞行器开始着陆时的加速度增长过快，以保证加速度敏感器件的安全。本文可为新型缓冲吸能结构的优化设计提供依据。

3　结束语

本文基于准静态异面压缩试验对两种二级蜂窝结构的缓冲吸能特性进行了研究，获得响应特性曲线，并分析变形机理，比较缓冲吸能特性，主要结论如下：

1）二级串联蜂窝结构的变形模式是蜂窝薄壁结构的屈曲；二级组合蜂窝结构的变形模式可以分为两个阶段，首先经历蜂窝结构的相互完全嵌入，其次是相互嵌入之后形成新结构的再压溃阶段。

2）组合式蜂窝结构的压实程度大于串联式蜂窝结构；串联式蜂窝结构存在两个应力峰值，组合式蜂窝结构只存在一个应力峰值，但是峰值更大。

3）组合式蜂窝结构的体积比吸能稍大于串联式蜂窝结构的体积比吸能；而组合式铝蜂窝的质量比吸能效果明显优于串联式蜂窝结构。

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（编辑：莫婕）

Studies on buffering and energy-absorption of two bilayer aluminum honeycomb structures

LI Xiangcheng，LIN Yuliang，LU Fangyun，LI Zhibing
（Institute of Engineering Physics，College of Science，NUDT，Changsha 410073，China）

Aimed to optimize multi-layer aluminum hexagonal honeycomb buffer and energyabsorption structures，related properties between bilayer combined aluminum hexagonal honeycomb andseriesaluminumhoneycombwerecompared.Theauthorscarriedoutontwotypesof hexagonal honeycomb with different sizes of cells under quasi-static out-of-plane compression.As a result，stress-strain curves of combined aluminum honeycomb and series aluminum honeycomb were gotten.Results show that both bilayer aluminum honeycomb structures can realize gradient plateau stress response，which is beneficial in the practical applications.Besides，it also shows that the insertion process of combined honeycomb structure can erase the initial peak stress，but a higher peak stress is left and it can also realize higher compaction degree.In a word，the ability of buffering and energy-absorption is better than series honeycomb structures.

combined aluminum honeycomb；series honeycomb structure；energy-absorption；outof-plane compression

A

1674-5124（2016）10-0100-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.019

2016-04-09；

2016-05-20

国家自然科学基金项目（11672329，11132012）

李翔城（1992-），男，湖南隆回县人，硕士研究生，专业方向为材料动态力学性能。