冲击作用下多孔材料面内破坏模式研究

郭 昕

（中国石油天然气股份有限公司重庆销售涪陵分公司，重庆 408000）

0 前言

蜂窝材料与泡沫材料均属于新型的多孔材料，由于其独特的压缩力学性能，使其在轻质夹层结构、能量吸收及冲击防护材料等方面具有广阔的应用前景。与实体材料不同，多孔材料的力学性能不仅取决于基体材料的性能，而且在很大程度上依赖于材料微观孔隙的几何结构。文献[1,2]对截面为正六边形蜂窝铝的二维破坏模式做了研究，但没有对其它孔洞形状的蜂窝材料在冲击作用下平面内的破坏模式进行讨论。为了解多孔材料在不同速度冲击荷载作用下及孔洞形状对其面内破坏模式的影响，开展了不同孔洞多孔材料在冲击作用下破坏模式的研究工作。

1 模型及材料的选取

图1 计算模型示意及有限元图

计算模型如图1所示，上面为冲击刚体，下面为多孔材料，刚体材料为钢材，多孔材料的基体材料为金属铝，金属铝采用双线性弹塑性模型，弹性模量为69GPa，泊松比为0.3，屈服应力为76MPa。刚体采用实体单元模型，多孔材料采用壳单元模型。刚体与多孔材料的接触定义为自动面面接触，多孔材料内部相互之间的接触定义为单面自动接触。多孔材料底部边界为约束全部自由度。壳单元沿厚度方向定义4个积分点，以满足收敛精度的要求。单元算法选择全积分壳单元算法。刚体的质量为2 kg，冲击速度分别为5m/s、10m/s和20m/s。

2 不同孔洞形状在冲击作用下的破坏模式

2.1 正六边形破坏模式

图2 孔洞形状为六边形多孔材料在不同冲击速度作用下不同时刻的变形图

正六边形单胞的内切圆半径为6.8 mm，壁厚为0.1mm，高度为15mm。为保证材料因为胞元在某一个方向较少而影响材料宏观力学性能，同时考虑到材料的宏观尺寸要大于孔洞尺寸至少一个数量级才能反映材料的宏观性能，故计算的正六边形多孔材料采用由 10x9个胞元组成。由文献[3]介绍的内容可知，正六边形截面的多孔材料在静力作用下的破坏模式是从中间的胞体首先开始破坏，然后由中间向两边扩展。图 2给出了六边形多孔材料在不同速度冲击作用下的变形模式图。计算结果显示，正六边形多孔材料在冲击荷载作用下的面内破坏模式与其在静力作用下的面内破坏模式不同，正六边形多孔材料在冲击作用下的破坏模式与冲击速度的关系较为密切。当刚体以5m/s的速度冲击正六边形多孔材料时，先在受撞区域形成一个‘V’形的屈服面，随着时间的增加，屈服面逐渐变成‘X’形状。由于冲击速度较小，故计算至图示阶段以后，变形已经不再发展。如果刚体的动能足够大能够将多孔材料压实。其变形破坏模式的发展趋势是沿着‘X’向四周扩展直至密实。而当刚体的冲击速度为10m/s时，截面为正六边形多孔材料的破坏模式是先在受撞区域形成一个‘V’形的屈服面，随着时间的增加，其变形及破坏沿‘V’形屈服面向四周扩展。当冲击速度为20m/s时，正六边形多孔材料的破坏模式呈‘一’字形，随着时间的增加，破坏区域沿着冲击面依次形成，最后直至压实。

由上面的分析可知，正六边形多孔材料的面内破坏模式与荷载性质、加载速度有密切的关系。冲击作用下正六边形多孔材料的面内破坏模式又与冲击速度大小有关。当正六边形多孔材料在静力作用下时，其破坏模式是先在中间形成‘一’字形屈服面，然后向两边扩展。最后直至材料被压实。而在冲击作用下，随着冲击速度的增加，其破坏模式由‘V’字形、‘X’字形向‘一’字形转变。为探讨不同截面形式孔洞的多孔材料是否具有同样的性质。又计算了孔洞形状为三角形及正方形的多孔材料在不同冲击速度作用下的变形破坏模式。

2.2 正方形多孔材料平面内冲击荷载作用下的破坏模式

图3 孔洞形状为正方形多孔材料在不同冲击速度作用下不同时刻的变形图

正方形单胞的外截圆半径为6.8 mm，壁厚为0.1mm，高度为15mm。计算的正方形多孔材料采用由9x10个胞元组成。图4给出了截面为正方形多孔材料在不同冲击速度下的变形图。计算结果显示，不同冲击速度作用下正方形截面多孔材料的破坏模式也不同。冲击速度较低时，与正六边形相似，在中部出现一个屈服面。与其它两种截面不同之处在于，沿此屈服面上面的材料全部屈服以后，屈服面下面的材料才开始屈服。速度增加时，这种特性也没有改变。正方形与其它孔洞形状不同的是，它屈服时，会沿着垂直于冲击方向的另外一个面内方向屈服。

3 结论

孔洞形状及冲击速度对多孔材料在冲击作用下面内破坏模式都有较大的影响，当速度从5m/s增加至20m/s时，正六边形的面内破坏模式从‘X’形转变为‘V’形，最后为‘一’字形，正方形也是由中间先屈服，转变成由中间及撞击面开始屈服。最后材料完全被压实。当冲击速度增加时，两种孔洞形式的面内破坏模式都趋向于从撞击面呈‘一’字形屈服的情况。