车辆底部防护蜂窝夹层结构抗冲击性能分析

王显会， 师晨光， 周云波， 石怡坤， 魏然

(南京理工大学 机械工程学院， 江苏，南京 210094)



车辆底部防护蜂窝夹层结构抗冲击性能分析

王显会， 师晨光， 周云波， 石怡坤， 魏然

(南京理工大学 机械工程学院， 江苏，南京 210094)

为满足车辆底部爆炸冲击防护需求，仿真分析爆炸冲击作用下单层纵向、横向布置蜂窝夹层结构与1.5层、双层横向布置蜂窝夹层结构的防护性能，对比分析不同蜂窝结构的压缩变形、吸能、车身地板加速度和假人小腿垂直方向受力，并对双层横向布置蜂窝夹层结构进行试验验证. 分析结果表明：横向布置蜂窝夹层结构吸能性能较好，纵向布置蜂窝夹层结构刚度和强度较好，双层蜂窝夹层结构抗冲击性能较好.

爆炸冲击；蜂窝夹层结构；底部防护；吸能性能；抗冲击性能

面对地雷、简易爆炸装置(IED)等对车辆底部的威胁，车身底部的防护性能直接关乎乘员的人身安全. 在爆炸冲击环境下，即使车体本身并未受到严重损坏，但爆炸产生的冲击波，特别是来自车身底部的爆炸冲击波也会对车内乘员造成致命的伤害，比如撞伤头部、损伤脊柱、颈椎和腿骨等[1]. 简单的装夹装甲钢板会大大增加整车质量，降低车辆机动性和通过性. 蜂窝材料作为多孔材料的一种，具有优越的比吸能和较大的比刚度、比强度，广泛应用于航空航天中[2]. 而且其内部孔结构尺寸较规则，排列较有序，许多学者对其进行了大量的研究. Taylor等[3]研究双层蜂窝板比单层有更好的屏蔽效果. 为使蜂窝板重量最小和吸能更充分，F.J. Martínez-Martín等[4]提出了一种多目标优化程序对蜂窝夹芯材料性能进行优化设计. 张延昌等[5]分析了蜂窝式夹层板结构在横向冲击载荷作用下的损伤变形、碰撞力、耐撞性指标，讨论了结构尺寸参数和耐撞性能的关系. 孙京帅[6]分析了在面内冲击载荷作用下，蜂窝材料的变形机制和相应的能量吸收性能，并分析了蜂窝胞元的几何尺寸对总吸能、总质量及总比吸能的影响. 刘颖等[7]提出了一种分层递变梯度蜂窝材料模型，以控制蜂窝材料的能量动态吸收性能.

文中以某车型简化车身地板为基础，布置不同蜂窝夹层结构，放置假人及座椅系统，在相同的地雷爆炸替代物当量下，仿真分析了单层蜂窝夹层结构横向、纵向抗爆炸冲击防护性能；并分析1.5层、双层蜂窝结构横向抗爆炸冲击防护性能；主要对不同蜂窝结构压缩变形、吸能、车身地板加速度和假人小腿垂直方向受力进行对比分析，为车身底部结构防护研究提供参考.

1 仿真计算模型

为研究不同蜂窝夹层结构的抗爆炸冲击防护性能，根据简化车身地板模型，在其下部50 mm空间内铺设4种不同结构的蜂窝结构如图1所示. 其中不同蜂窝结构胞单元具有相同的长度，高度不同.

利用Hypermesh软件建立有限元模型，其中包括空气、炸药、蜂窝夹层结构、座椅系统模型. 按照AEP-55标准，放置标准的Hybrid III 50th百分比男性假人，对爆炸环境下车内乘员损伤进行模拟，将假人小腿垂直方向受力响应作为评判防护性能的一个指标. 对简化地板四周进行6自由度全约束；爆炸仿真采用多物质流固耦合(arbitrary lagrange euler，ALE)算法，ALE算法控制方程为

(1)

(2)

(3)

蜂窝夹层材料为AA3003铝，其材料参数见表1[8]，蜂窝夹层与上、下平板采用共节点连接，接触类型为面面接触,*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，并设置自接触,*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE；上、下平板为防弹钢板，整个蜂窝夹层结构均采用shell单元；炸药为TNT，径高比为3∶1，当量为4.5 kg，炸点位于车身底部中心位置，炸距为400 mm. 炸药采用材料模型和JWL状态方程来描述，其压力、体积和内能之间的关系为

(4)

式中：P2为压力；E0为初始内能密度；V为相对体积；A、B、R1、R2、ω为材料常数，其材料参数及状态方程见表2～表3[9]. 空气单元采用空材料模型配合线性式状态方程来描述

P3=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ+C6μ2)E2.

(5)

式中：P3为压力；μ为相对体积；E2为单位体积内能；C0～C6为多项式方程系数，C0=-0.1 MPa，C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4 MPa[10].

表1 铝的材料参数

表2 TNT的材料参数

表3 TNT炸药的JWL方程参数

以双层为例，有限元模型如图2所示.

为某车辆车身地板简化有限元模型，由于车身为承载式车身，最低处为乘员地板，炸点位于车身底部中心位置，在爆炸冲击载荷作用下，乘员主要受到爆炸垂直冲击载荷作用，底盘结构对乘员地板响应直接影响较小，因此，文中简化研究对象为车身地板平台，考虑整车重量影响，对地板平台进行配重，在其底部铺置蜂窝板，利用LS-Dyna显式算法进行求解，对比分析不同蜂窝夹层结构的结构及假人响应.

2 仿真计算结果对比分析

2.1 蜂窝压缩变形分析

在相同的地雷替代物当量下，对不同蜂窝夹层结构(总厚度相同)压缩变形情况进行分析. 如图3所示，结构(a)中最大垂直方向位移为15.33 mm，夹层结构上、下部分形成三角形结构，中间竖直连接部分起到了加强作用，所以此结构具有较大的刚度；结构(b)中最大垂直方向位移为19.05 mm，夹层结构中间横向连接处最先发生变形，蜂窝斜边形成三角形结构，刚度变大；结构(c)中最大垂直方向位移为22.77 mm，蜂窝夹层下部压缩变形较大，上部压缩较小，增强了上地板的刚度；结构(d)中最大垂直方向位移为27.57 mm，蜂窝夹层压缩变形更大，上部仍增强了上地板的刚度，下部蜂窝夹层结构刚度较小，可有效缓冲吸收爆炸冲击波.

2.2 蜂窝夹层吸能分析

不同蜂窝夹层结构所吸收能量不同，其内能不同. 在爆炸冲击作用下，蜂窝夹层结构发生塑性变形，将爆炸能量转化为结构内能，有效地吸收、缓冲爆炸冲击载荷；如图4所示，蜂窝夹层结构内能逐渐增加，所吸收能量逐渐增加. 与压缩变形相对应，单层纵向布置蜂窝夹层结构变形量最小，吸收能量最小，为3.09 kN·m；双层横向布置蜂窝夹层结构高刚度最小，变形量最大，吸收的能量最大，为5.03 kN·m.

2.3 车身地板加速度分析

作为评价蜂窝夹层结构吸收、缓冲爆炸冲击作用的一个指标，加速度大小将反映蜂窝夹层结构的抗爆炸冲击性能. 从图5可以看出，地板平台加速度峰值逐渐减小，双层横向布置蜂窝夹层结构地板平台加速度最小，为1.42×105m/s2，能够充分吸收、缓冲爆炸冲击载荷.

2.4 假人小腿垂直方向受力分析

参照AEP-55标准，以小腿垂直方向受力值作为评价蜂窝夹层结构防护性能的重要指标，安全阈值为5.4 kN. 从图6可以看出，假人小腿垂直方向受力峰值逐渐减小. 图1(a)所示结构假人小腿受力最大，为20.29 kN， 超过安全阈值，对乘员的防护性能差；图1(d)所示结构假人小腿受力最小，为5.27 kN，未超过安全阈值，对乘员的防护性能好.

对比分析可知：纵向布置的蜂窝夹层结构刚度大，变形小，吸收、缓解爆炸冲击载荷性能差，假人小腿受力大，对乘员的防护性能差，具有较弱的抗爆炸冲击性能；横向布置中双层蜂窝夹层结构刚度小，变形大，吸收、缓解爆炸冲击载荷性能好，假人小腿受力小，对乘员的防护性能好，具有较强的抗爆炸冲击性能.

3 试验验证分析

仿真、试验对比分析如图7～图8所示.

针对仿真计算结果，对双层蜂窝夹层结构进行实爆试验验证. 车身底部装夹双层蜂窝夹层结构板，地雷布置于车身底部中心位置，当量为4.5 kg，使用混合Ⅲ型假人放置于乘员座椅上，脚放置于车身地板上.

由图7可以看出，仿真、试验中蜂窝夹层结构压缩变形形态基本一致；由图8可以看出地板加速度仿真值(17.157 kg)略大于试验值(14.456 kg)，误差约为18.7%；由图9可以看出，假人小腿垂直方向受力仿真值(5.26 kN)略大于试验值(4.85 kN)，误差约为8.5%.

在爆炸冲击作用下，结构响应属于瞬态动力学问题，材料出现塑性强化现象，动态材料参数对仿真结果具有一定影响；另外在模型简化中车辆底部结构会对冲击波具有一定削弱影响，会导致仿真结果稍大于仿真结果. 因此仿真结果是比较可信的，双层蜂窝夹层结构具有良好的抗爆炸冲击防护性能.

4 结 论

利用数值仿真方法模拟了爆炸冲击作用下单层纵向、横向布置蜂窝夹层结构与1.5层、双层横向布置蜂窝夹层结构的防护性能；主要对蜂窝夹层结构的压缩变形、内能、车身地板加速度及假人小腿垂直方向受力进行了分析，并对双层蜂窝夹层结构进行试验验证，得到结论如下.

① 纵向布置的蜂窝夹层结构比横向布置的蜂窝夹层结构刚度更强，具有更好的刚强度，但抗爆炸冲击防护性能较弱，压缩变形量小，结构吸收能量小，地板加速度、假人小腿垂直方向受力较大；相反，横向布置蜂窝夹层结构通过结构的压缩变形，可吸收较多的爆炸能量，降低假人小腿垂直方向受力，具有较好的抗爆炸冲击防护性能；

② 双层蜂窝夹层结构具有更好的抗爆炸冲击性能，压缩变形量更大，可吸收更多的爆炸冲击能量，降低爆炸对车内乘员的危害，可对车内乘员起到较好的防护作用；

③ 通过对双层蜂窝夹层结构仿真与试验结果的对比分析，验证了双层蜂窝结构具有较好的防护性能，为今后车辆底部防护提供了良好的理论与试验指导.

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(责任编辑：孙竹凤)

Impact Resistance Analysis of Honeycomb Sandwich Structure for the Vehicle Bottom Protection

WANG Xian-hui， SHI Chen-guang， ZHOU Yun-bo， SHI Yi-kun， WEI Ran

(1.School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science & Technology， Nanjing， Jiangsu 210094, China)

In order to protect the bottom of vehicle in explosion shock, the protection performance was simulated for several honeycomb sandwich structures, including single layer vertical, horizontal layout honeycomb sandwich structure and 1.5 layer, double layer horizontal layout honeycomb sandwich structure. And some other performances of honeycomb structure were analyzed comparatively. for example, the compression distortion, energy absorption, body floor acceleration and dummy lower leg Z-force. And experimental verification was taken for double layer horizontal layout honeycomb sandwich structures. The results show that, the energy absorption property of horizontal layout honeycomb sandwich structure is better, the stiffness and strength of vertical layout honeycomb sandwich structure are better, and impact resistance of double honeycomb sandwich structure is better.

explosion shock; honeycomb sandwich structure; protection at the bottom; energy absorption; impact resistance

2014-04-22

国家自然科学基金资助项目(51405232)

王显会(1968—)，男，教授，E-mail: 13770669850@139.com.

师晨光(1991—)，男，硕士生，E-mail: 15062763575@163.com.

TJ 811.91

A

1001-0645(2016)11-1122-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.11.005