混合双层蜂窝夹层结构抗侵彻性能分析

毕广剑，尹建平，王志军

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

蜂窝结构凭借其高的比强度、比刚度、比吸能等优良性能，在建筑及运输行业最先得到应用。目前除了在航空、航天等领域使用外，还广泛应用在车辆、舰船、大型贮罐上等[1]。

近年来，蜂窝夹层结构的研究也在有条不紊的进行当中。燕山大学的辛亚军等[2]对蜂窝铝夹芯板受落锤低速冲击后的破坏形态、破坏过程等进行了研究，并得出了蜂窝铝夹芯板的典型冲击荷载-位移曲线；湖南大学的孙光永等[3]对层级蜂窝结构夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应和吸能特性进行了研究，得出了吸能比最高的层级参数；哈尔滨工业大学的王栋[4]首次对双层蜂窝结构进行优化设计，并对其静、动态力学行为进行分析。同时，蜂窝装甲防护优化设计、蜂窝缓冲装置结构的高稳定性以及特殊蜂窝结构的力学特性研究等方面都取得了突破性进展[5-7]。本研究对武装直升机防御最薄弱的旋翼及尾桨的蜂窝结构进行改进，提出了混合双层蜂窝结构，并对其抗侵彻性能进行分析。

本研究利用LS-DYNA软件，对弹丸侵彻多组混合双层蜂窝夹层结构进行了数值模拟，并分析其最优抗侵彻方案。

1 模型建立

1.1 几何模型

本文对直径分别为3 mm与6 mm的蜂窝夹层结构以及用两种夹层结构两两组合后的混合双层结构进行抗侵彻分析。其中蜂窝夹层结构及蜂窝胞单元如图1所示，弹丸结构尺寸如图2所示，其中H=40 mm、R=15 mm。蜂窝夹层结构具体尺寸如表1所示。

1.2 计算模型及材料参数

蜂窝芯层的模型如图3(a)所示。上下面板模型如图3(b)所示。本研究对以下6种蜂窝结构的抗侵彻性能进行数值仿真，即以d=3 mm的单层蜂窝夹层板、d=6 mm的单层蜂窝夹层板、双层均为d=3 mm的蜂窝夹层板、双层均为d=6 mm的蜂窝夹层板、上层为d=3 mm下层为d=6 mm的混合蜂窝夹层板以及上层为d=6 mm下层为d=3 mm的混合蜂窝夹层板[8]，如图4所示。以上所有结构均采用1/2模型进行计算。

表1 蜂窝结构参数

本研究中，蜂窝芯层及上下金属面板的材料均选用4340钢，材料模型采用MAT_JOHNSON_COOK模型，主要参数有：密度为7.83 g/cm3、剪切模量为0.77 Mbar、杨氏模量为2.068 4 Mbar，其余相关材料参数见表2所示。状态方程选用EOS_GRUNEISEN其主要参数如表3所示(其中A为参考温度和参考应变率下的初始屈服应力，B为材料的应变硬化模量，N为材料的硬化指数，M为温度软化系数。TR为室温)。

表2 4340钢材料参数

表3 状态方程参数

2 数值模拟及结果分析

2.1 数值模拟

蜂窝夹层结构根据其结构尺寸的不同，其防护效果也不尽相同，本研究利用直径为30 mm的钢弹，以100 m/s的速度分别侵彻以上6种蜂窝夹层结构，以d=3 mm的混合双0层蜂窝结构为例，整体结构模型如图5所示。弹丸侵彻混合双层蜂窝结构的过程如图6所示。

由图6的侵彻过程中可知，弹丸在10 μs时上层蜂窝结构的上层面板被冲击断裂，同时上层面板向下挤压蜂窝结构，导致蜂窝被压垮，并向下堆积；20 μs时，弹丸击穿上层结构的下层面板，并且下层结构的上层面板受力变形，向下凹陷，部分蜂窝结构产生小变形；30 μs时两层蜂窝结构均被弹丸穿透，且弹丸与最下层面板开始接触；40 μs时，最下层面板被撕裂，且部分材料脱落；50 μs后，弹丸完全穿透混合双层蜂窝结构。

蜂窝芯层的变形如图7所示。金属面板变形如图8所示。

由图6可知，蜂窝芯层在受到冲击后，与弹丸接触部分被压垮堆积后脱落，在图7中能够看到，蜂窝板中心部分向四周挤压，中心处蜂窝胞元断裂，而与之连接的内侧蜂窝胞元被压扁，并将变形逐级传递，直至变形结束，其中受弹丸冲击变形部分占总体蜂窝结构的1/2左右，受金属面板板挤压变形部分占总体蜂窝结构的1/4左右。且在所有结构当中，d=6 mm的蜂窝结构变形占整体结构比例最大。在图8中的金属面板受力变形可以看出，面板由中心向外逐渐堆积，最后形成局部凸起，由于惯性与摩擦力的双重作用，蜂窝芯层与弹丸侧面接触处会有一个向与弹丸运动方向成一定夹角的方向运动，从而导致蜂窝板受力变形后的孔径要比弹丸直径略大。

2.2 结果分析

6种情况下，弹丸的速度曲线如图9所示。

对6条速度曲线进行分析能够发现,在剩余速度由小到大依次为：混合双层均为d=3 mm蜂窝夹层结构、混合双层上层d=3 mm下层d=6 mm蜂窝夹层结构、混合双层均为d=6 mm蜂窝夹层结构、混合双层上层d=6 mm下层d=3 mm蜂窝夹层结构、单层d=3 mm蜂窝夹层结构、单层d=6 mm蜂窝夹层结构。将速度曲线与弹丸侵彻蜂窝夹层结构过程进行对比可以发现，弹丸侵彻蜂窝芯层时曲率变化值最大，侵彻钢板时曲率变化值相对较小。由此可知弹丸在蜂窝芯层处能量损失最多，其剩余速度见表4所示，弹丸能量损失见表5所示。

表4 6种情况下弹丸剩余速度(m/s)

表5 6种情况蜂窝结构吸能(J)

由表5可知蜂窝夹层结构吸能效果与速度曲线相似。而对于蜂窝芯层的防护特性，一般将能量吸收率作为评价指标，其能量吸收率越高，吸能效果就越好，6种结构的吸能率随时间的变化曲线如图10所示。

由图10可知，相对于其他结构，上层d=6 mm下层d=3 mm的蜂窝芯层某一时刻吸收率达到最大值，且曲线前中段斜率较大，后期平缓。而曲线下的面积，即总吸收率的最大值由双层均为d=3 mm的蜂窝芯层产生，这也验证了混合双层蜂窝结构中双层均为d=3mm的混合蜂窝结构吸能效果最佳，整体抗侵彻性能最好。

综上所述，与传统等厚度的单层蜂窝结构相比，混合蜂窝结构的抗侵彻性能更优。

3 结论

1) 在蜂窝夹层结构中，蜂窝芯层吸能效果远大于上下金属面板；

2) 蜂窝夹层结构受到相同速度弹丸撞击后，不同蜂窝胞元直径的芯层变形不同，其中孔径为6 mm的夹层结构相对于孔径为3 mm的夹层结构变形更加延伸；

3) 在所有混合结构当中，孔径为3 mm的混合双层蜂窝夹层结构抗侵彻效果最好，弹丸剩余速度最低；上层d=6下层d=3的结构抗侵彻效果相对较差，剩余速度较高。

4) 在等厚度情况下，混合双层蜂窝结构的抗侵彻性能优于单层蜂窝夹层结构。