蜂窝夹层结构对车辆抗爆炸冲击性能的影响

罗小丽，王洪亮，周云波，王显会，孙晓旺，罗 鸣

(南京理工大学， 南京 210094)

在当代战场上，来自地雷和简易爆炸装置爆炸冲击波的伤害已成为军用车辆的重要威胁之一，各类专用车辆也面对日益严峻的爆炸冲击威胁，均有较强的抗爆炸冲击防护需求[1]。在爆炸冲击下，车身自身变形损伤大，同时爆炸产生的冲击波会造成乘员伤害甚至致命[2]。

蜂窝结构简单，有大比吸能、比刚度、比强度等特征，相比其他多胞结构，工艺成熟，广泛应用于汽车领域。王宗千[3]设计了一种蜂窝吸能盒用于汽车碰撞吸能。王显会[4]、魏然[5]、佘磊[6]等人使用蜂窝夹层结构来提高车辆的抗爆炸冲击性能。但均未考虑负泊松比结构。

一般材料的泊松比为正值，在拉伸变形时垂直于载荷的方向会收缩，压缩时膨胀；泊松比为负值的材料则相反，受拉膨胀，受压收缩[7]。大量研究表明具有负泊松比特性的结构有优异的力学性能。WANG等[8]在车门填充负泊松比蜂窝夹层结构以提高车门的抗爆炸冲击性能，但其边界条件为远距离侧面爆炸，爆炸冲击对结构的毁伤效应远小于底部爆炸。LAN等[9]比较了泡沫铝结构、正泊松比和负泊松比蜂窝结构，结果表明负泊松比结构有较好的抗爆炸冲击性能。

张鑫磊[10]在车身底部防护结构中采用泡沫铝材料并进行了功能梯度优化，结果表明采用具有梯度的结构较无梯度的同一结构车辆抗底部爆炸冲击性能更好，但未考虑蜂窝结构。

针对上述问题，本研究根据某车辆台架实验，建立有限元模型；在底部填充蜂窝夹层结构，以底板内能和加速度来评价车辆的抗爆炸冲击性能，比较了不同的蜂窝夹层结构对车辆抗爆炸冲击性能的影响，选择出最佳的一种；并基于所选结构，以蜂窝胞壁厚度作为变量进行功能梯度分析，得到对提高车辆抗爆炸冲击性能最有益的一种蜂窝夹层结构。

1 车辆仿真模型

1.1 车辆缩比模型台架实验

周迪[11]等做了车辆缩比模型台架底部爆炸实验，评价车辆在6 kg TNT浅埋爆炸冲击下的损伤情况并测量底板的变形，车辆结构如图1所示。经过爆炸冲击后车辆整体变形如图2所示，其中C10点变形最大，C17点变形最小；C10、C17两点在YZ平面的距离从0 mm变成177.8 mm。

图1 车辆缩比模型结构

图2 车辆缩比模型实验变形

1.2 车辆缩比仿真模型

根据实验建立车辆缩比有限元模型(后文称为初始结构)，如图3。根据实验工况，建立炸药模型，炸药形状为圆柱形，当量6 kg，位于结构中心位置的正下方，炸药上表面距地面100 mm。ALE算法是目前公认的成熟的爆炸仿真算法[12]，本研究应用LS-DYNA采用ALE算法进行仿真分析。如图4所示，台架整体从中部出现弯曲，底部出现较大变形，侧壁出现翘曲；横梁1、2从底板脱落；其余各部分未见明显破坏。比较图2和图4，实验和仿真车辆的整体损伤变形情况基本吻合。

图3 车辆缩比有限元模型

图4 车辆缩比模型仿真变形

如图5，C10、C17两点在XZ平面相对位移变化188 mm，与实验结果的177.8 mm比较，误差为5.7%，误差在15%以内，满足工程要求。

图5 C10、C17两点在XZ平面相对位移

仿真中，车辆整体损伤变形情况与实验情况基本吻合；底板底部变形量与实验测量结果相比，误差满足要求。由此确定台架有限元模型是比较准确的，可以用于后续研究。

2 蜂窝夹层结构对车辆抗爆炸冲击性能影响

2.1 蜂窝夹层结构设计

为提高车辆的抗爆炸冲击性能，在初始结构的基础上调整防雷板，使得底板与防雷板间隙Δt=30 mm(后文称为调整结构)；并填充蜂窝夹层结构，如图6所示。设计面内负泊松比、面内正泊松比、面外负泊松比、面外正泊松比4种不同蜂窝夹层结构；单个胞元a=14 mm，b=5.8 mm，α=65°，β=115°，t=1 mm，h=10 mm，如图7所示。蜂窝材料模型采用Johnson-Cook定义[3]。

图6 调整结构—填充面外蜂窝夹层示意图

图7 蜂窝夹层结构示意图

2.2 车辆抗爆炸冲击性能分析

结构内能可以表明结构的变形情况，加速度可以表明结构冲击振动情况。在该模型中，底板底部等效车辆地板，用底板内能表示底板的变形情况，以评价车辆的抗变形能力；用炸点正上方底板加速度表示底板受冲击情况，以评价车辆的抗冲击性能；这里综合车辆的抗变形能力和抗冲击性能来评价车辆的抗爆炸冲击性能。

从表1可以看出，调整结构因为离地间隙变小，所以防雷板受到的爆炸冲击更大，传递给底板的能量也越大，底板因变形加大所以内能增大；由于底板与防雷板间存在间隙，所以防雷板与底板底部的撞击得到了缓冲，因此底板的加速度峰值减小许多；调整结构车辆的抗冲击性能提高了，但抗变形能力降低了，不符合车辆抗爆炸冲击的性能要求。在调整结构中填充蜂窝夹层结构后，加速度峰值较调整结构又大幅降低，且远小于初始结构的数值，表明蜂窝夹层结构可以很好地提高车辆的抗冲击性能；底板内能较初始结构大幅减小，表明蜂窝夹层结构能在车辆离地间隙变小的情况下提高车辆的抗变形能力。由此可以认为蜂窝夹层结构可以提高车辆的抗爆炸冲击性能。

表1 车辆不同结构仿真值

蜂窝夹层结构的内能在TNT爆炸后2 ms时达到最大并趋于稳定，即其达到稳定变形状态，因此选择该时刻分析其变形情况。不同蜂窝夹层结构变形如图8所示，面内结构变形较面外结构大，其中面内正泊松比结构变形最大。从表1的加速度峰值和蜂窝内能数值可以看出，蜂窝内能越大，加速度峰值越小，即蜂窝夹层结构变形越大，缓冲效果越好。填充面内正泊松比结构时，加速度峰值最小，说明采用该结构时车辆抗冲击性能最好。

图8 蜂窝夹层结构变形情况(T=2 ms)

从表1和图9可以看出，填充不同的蜂窝夹层结构时，底板内能数值接近；面内正泊松比结构与面外负泊松比结构数值相差最大，为7.2%；面内正泊松比结构与面外正泊松比结构相差最小，为1.4%；表明不同夹层结构对车辆抗变形作用相近。

填充面内正泊松比蜂窝夹层时，底板加速度峰值较面内负泊松比结构小18.4%，内能较之大5.1%，两种结构对应的底板内能相差较小，加速度峰值相差较大，因此，这里认为面内正泊松比结构的抗爆炸冲击性能最佳。填充面内正泊松比蜂窝夹层结构后，车辆底板内能较初始结构减小26.5%，加速度峰值减小85.8%。综合评价评价不同的蜂窝夹层结构对车辆的抗爆炸冲击性能的作用：面内正泊松比>面内负泊松比>面外正泊松比>面外负泊松比。

图9 底板加速度峰值、内能

大量的研究表明，在多孔结构的基础上进行功能梯度划分，其性能较无梯度的同种结构更佳[8,10]。为了进一步提高车辆的抗爆炸冲击性能，下面选择面内正泊松比蜂窝夹层结构进行功能梯度分析。

3 功能梯度结构对车辆抗爆炸冲击性能影响

将面内正泊松比蜂窝夹层结构分为3层，如图10，以每层蜂窝的胞壁厚度t作为变量进行功能梯度分析；这里定义从F1到F3胞壁厚度逐渐增大为正梯度；各层胞壁厚度范围为0.5～1.5 mm，设置无梯度、正等差梯度、负等差梯度、正等比梯度、负等比梯度共5种厚度梯度分布，各层胞壁厚度具体数值见表2所示。

图10 梯度结构设计

梯度结构无等差正负等比正负胞壁厚度/mmF11.000.501.500.501.50F21.001.001.000.870.87F31.001.500.501.500.50

如图11和表3，具有厚度梯度的结构，胞壁厚度小的部分变形更大，吸收能量更多，对爆炸冲击的缓冲作用更明显。采用梯度结构后，底板加速度峰值数值较无梯度结构不同程度的减小，说明梯度结构可以有效地提高车辆的抗冲击性能。有关数据参见表3。

图11 梯度结构变形情况(T=2 ms)

厚度梯度无等差正负等比正负加速度峰值/106 (m·s-2)1.890.941.550.951.62蜂窝内能/kJF159.465.119.865.720.3F239.258.334.756.039.0F327.618.550.221.450.7总126.2141.9104.7143.0110.0总质量/kg163.8158.0169.6152.6164.2比吸能/(kJ·kg-1)0.770.900.620.940.67

如图12，正梯度结构中各层蜂窝间吸收能量的数值差异较负梯度结构大，吸收的能量也更多，因此正梯度结构变形较负梯度结构更大，缓冲作用更明显，对应的底板加速度峰值也越小。有关数据参见表3。

图12 蜂窝内能

图13 底板加速度峰值、蜂窝比吸能曲线

从加速度峰值来看，正等差结构较正等比结构小1.1%，二者分别为无梯度结构时的49.7%、50.3%。从比吸能来看，正等比结构较正等差大4.4%，二者分别比无梯度结构大22.1%、16.9%。因此可以认为这两种结构对车辆抗冲击性能作用都很显著，且具有正等比厚度梯度的结构具有更好的比吸能效应。

与初始结构相比，填充具有正等比厚度梯度的面内正泊松比蜂窝夹层结构时，车辆加速度峰值较初始结构减小91.1%。

4 结论

1) 填充蜂窝夹层结构可以提高车辆的抗爆炸冲击性能；对提升车辆的抗变形性能，不同的蜂窝夹层结构作用相近；对提升车辆的抗冲性能，面内结构较面外结构好，正泊松比结构较负泊松比结构好；填充面内正泊松比蜂窝夹层结构时，车辆的抗爆炸冲击性能最佳，车辆底板内能较初始结构减小26.5%，加速度峰值减小85.8%。

2) 选择面内正泊松比蜂窝夹层结构，以其胞壁厚度为变量进行功能梯度分析。胞壁厚度具有梯度的蜂窝夹层结构较无梯度的结构抗冲击性能更佳，且正梯度结构较负梯度结构好；正等差和正等比两种结构的抗冲击作用相近，正等比结构比吸能效应更佳。填充具有正等比厚度梯度的面内正泊松比蜂窝夹层结构时，车辆加速度峰值较初始结构减小91.1%。