铝蜂窝夹层结构抗冲击性能试验与数值研究

2022-08-19高德平

粘接 2022年8期

张晟，陈伟，高德平

(南京航空航天大学航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室,江苏南京 210016)

铝蜂窝夹层结构作为典型大涵道比涡扇发动机风扇机匣重要组成部分，其抗冲击性能成为国内外研究重点。国内外对铝蜂窝结构、铝蜂窝夹层结构在低速冲击下的动力学响应和抗冲击性能方面开展了卓有成效的研究工作。

据报道，有学者针对六边形铝蜂窝夹层结构进行了准静态冲压试验以研究其能量吸收特性；还研究了蜂窝夹层结构在低速冲击下的抗冲击性能和能量吸收特性及利用有限元方法对蜂窝结构进行了低速冲击数值模拟，认为蜂窝夹层结构的抗冲击性能受蜂窝壁厚、蜂窝尺寸和冲击能量的影响。

已开展的研究主要集中铝蜂窝夹层结构在中低速度冲击条件下的抗冲击性能研究。然而铝蜂窝夹层结构作为一种与复合材料类似的“复合结构”，其在高速冲击下的动态特性、抗冲击性能、能量变换关系等研究较少。本文对铝蜂窝夹层结构开展抗冲击性能研究，通过设计铝蜂窝夹层结构固持装置与高速冲击数值模拟方法，开展铝蜂窝夹层结构平板试件高速冲击试验和数值模拟，深入研究铝板与蜂窝结构能量吸收与转化规律及其相互关系。

1 铝蜂窝夹层结构高速冲击试验

1.1实验设备与内容

铝蜂窝夹层结构高速冲击试验通过高速冲击试验系统进行。高速冲击试验系统主要由发射系统、速度测量系统、固持防护系统、应变测量系统和高速纹影系统等系统组成。发射系统主要设备为一级轻气炮，其直径为60 mm，可发射弹体的最大质量为250 g，最大速度可达200 m/s；速度测量系统设置在炮口和固持防护系统之间，由激光测速仪和速度显示器等组成；应变测量系统由超动态应变仪和计算机组成；固持防护系统由地基、夹具、防护钢板和有机玻璃防护板、回收桶组成；高速纹影系统主要包含高速摄影仪、强光源和触发装置等组成。

铝蜂窝夹层结构试件几何尺寸为250 mm×170 mm×71.6 mm，其中蜂窝芯采用5052铝合金，厚度为70 mm，由正六边形蜂窝构成，蜂窝胞元壁厚0.06 mm，胞元特征尺寸3 mm；上下铝面板采用6060铝合金，厚度均为0.8 mm。模拟叶片采用TC4钛合金，几何尺寸为120 mm×45 mm×6 mm矩形块结构，冲击端倒圆角。

1.2 试验结果与分析

铝蜂窝夹层结构高速冲击试验结果

铝蜂窝夹层结构高速冲击试验共开展7组，试验编号分别用FJ1～FJ7表示，试验结果如表1所示。除FJ1试验结果为模拟叶片卡入外，其余6组试验中，模拟叶片均穿透铝蜂窝夹层平板试件。

表1 铝蜂窝夹层结构高速冲击试验结果Tab.1 High speed impact test results of aluminum honeycomb sandwich structure

弹道极限速度

试验中，弹道极限速度()表示弹体50%可能卡入靶板时的初始速度。工程中通常用模拟叶片穿透铝蜂窝板后剩余速度为0时的初始速度来表示。根据能量守恒规律，当剩余速度为0时，模拟叶片动能全部转化为铝蜂窝结构变形能以及叶片摩擦等损失的能量，表达式为：

在理想状态下，忽略摩擦等能量损失，模拟叶片动能全部被铝蜂窝结构吸收。因此弹道极限速度可通过试验中模拟叶片初始速度和剩余速度确定，表达式为：

式中：为模拟叶片初始速度；为模拟叶片剩余速度；为模拟叶片因摩擦等能量损失的速度分量。计算得到的弹道各极限速度，结果如表1所示。随着模拟叶片初始速度增加，铝蜂窝夹层结构也逐渐增加，一定程度上反映了铝蜂窝夹层结构高速冲击的应变率效应。

能量分析

式中：为模拟叶片质量；为模拟叶片初始速度；为模拟叶片剩余速度；为摩擦等损耗的能量，主要包含模拟叶片做功摩擦损耗、铝蜂窝夹层结构的变性能以及结构变形过程中的动能损耗。

铝蜂窝夹层结构吸收的总能量与初始速度关系如图1所示。

图1 高速冲击试验中铝蜂窝夹层结构结构吸收能量与初始速度关系Fig.1 Relationship between energy absorption and initial velocity of aluminum honeycomb sandwich structure in high speed impact test

由图1可知，铝蜂窝夹层结构穿透后，结构吸收能量随着初始速度的增加而增加，反映了蜂窝结构吸收能量的应变率效应，即结构应变率高，吸收能量的能力强。

2 铝蜂窝夹层结构高速冲击数值模拟

2.1 数值模拟方法

铝蜂窝夹层结构高速冲击数值模拟采用商用非线性动力学有限元分析软件ANSYS/LS-Dyna 971R7进行。根据高速冲击试验件几何尺寸建立模拟叶片与铝蜂窝夹层结构数值模型。模拟叶片和铝蜂窝夹层结构均采用六面体实体单元，铝蜂窝夹层结构单元数为314 500个，模拟叶片单元数为7 076个。边界条件为铝蜂窝夹层结构两侧节点固支。

蜂窝夹层的铝合金平板和模拟叶片的材料模型采用塑性随动模型，蜂窝夹层的蜂窝结构采用26#蜂窝材料模型。26#材料模型(*MAT_HONEYCOMB)可用于表征蜂窝结构各向异性的非线性弹塑性特点，通过定义应变率与缩放系数之间的关系，在不同的应变率下，对材料模型中定义的应力应变曲线按照应变率缩放系数比例缩放。由不同应变率下的铝蜂窝结构动态压缩响应中平台阶段平均应力与准静态压缩平台阶段平均应力的比值作为不同应变率下的缩放系数。该系数不仅能够模拟铝蜂窝结构的应变率硬化，同时也考虑了高应变率压缩过程中，铝蜂窝结构中的气密性效应。

铝蜂窝夹层结构面板密度为2.7 g/cm，弹性模量为71 GPa，泊松比0.32；铝蜂窝密度为2.7 g/cm，弹性模量为70 GPa，泊松比0.33；模拟叶片密度为4 440 kg/m，弹性模量为109 GPa，屈服强度为919 MPa，泊松比0.34。

在铝蜂窝夹层结构数值模拟中，模拟叶片与蜂窝夹层结构之间的接触采用面与面的侵彻接触(*ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，蜂窝结构采用单面接触设置(*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)，惩罚刚度因子设为0.1。

2.2 数值模拟结果与分析

高速冲击数值模拟结果

针对7组高速冲击试验开展相应的数值模拟研究。数值模拟结果与试验结果对比如表2所示。

表2 铝蜂窝夹层结构高速冲击数值模拟与试验结果对比Tab.2 Comparison between test and numerical simulation of strain gauge data

由表2可知，数值模拟结果与试验结果吻合较好，误差均在5%以内，验证了数值模拟方法的有效性。

应变响应对比分析

由于铝蜂窝结构胞元尺寸较小，采用传统的测试手段难以获得铝蜂窝结构细观冲击过程中的动态响应。为研究铝蜂窝夹层结构在高速冲击下宏观动态响应，在试件两端铝面板表面相应位置分别粘贴应变片，其中1号应变片和2号应变片分别贴在入射面中线下方和中线左侧位置；3号应变片和4号应变片分别贴在出射面的中线下方和中线右侧位置。

FJ7组高速冲击试验中，按照铝蜂窝夹层结构两侧铝板上粘贴应变片的位置，在数值模拟模型中对应的位置提取应变响应，并进行对比。各应变片试验与对应位置数值模拟结果如图2所示，各应变片位置的应变响应，数值模拟与试验基本一致。

(a)入射面1号应变片

由图2(a)可知，在0.15 ms时，模拟叶片撞击1号铝板(入射面铝板)时的应变达到峰值，约为20 000 με，随后周期性的振荡，并在阻尼作用下逐渐衰减直至稳定；数值模拟在0.8 ms，当模拟叶片撞击2号铝板(出射面铝板)时，1号铝板应变产生微幅振荡，然而试验测得的应变数据未出现相应的振荡，数值模拟稳态应变值略高于试验值。

由图2(b)可知，在0.1 ms时，模拟叶片撞击1号铝板(入射面铝板)时的应变达到峰值，约为14 000 με，与1号应变片在响应时间与应变峰值上均存在一定差异；随后周期性的振荡，并在阻尼作用下逐渐衰减直至稳定；数值模拟在0.8 ms，当模拟叶片撞击2号铝板(出射面铝板)时，1号铝板应变产生微幅振荡，然而试验测得的应变数据同样未出现相应的振荡，数值模拟稳态应变值与试验值基本一致。

由图2(c)可知，在0.8 ms时，模拟叶片撞击2号铝板，应变达到峰值，约为13 500 με，随后周期性的振荡，并在阻尼作用下逐渐衰减，数值模拟稳态应变值与试验值基本一致。

由图2(d)可知，在0.8 ms时，模拟叶片撞击2号铝板，应变达到峰值，约为9 500 με，随即应变达到反向峰值，约为7 000 με，随后应变周期性振荡，并在阻尼作用下逐渐衰减，数值模拟稳态应变值与试验值基本一致。

能量分析

叶片冲击铝蜂窝夹层结构过程中，模拟叶片动能逐渐减少，其中大部分由铝蜂窝夹层结构变形吸收，小部分由于摩擦损耗。在模拟叶片穿透铝蜂窝夹层结构1号与2号铝板时，模拟叶片的动能下降速度较快；模拟叶片穿透铝蜂窝结构时，其动能下降缓慢。在冲击过程中，模拟叶片动能的下降基本上是由铝板的变形以及铝蜂窝结构胞元壁塌陷、压实变形吸收，而且铝蜂窝结构能量吸收速率较铝板能量吸收速率低。模拟叶片穿透铝蜂窝夹层结构后，还能少量吸收能量，因为由铝蜂窝夹层结构与模拟叶片之间存在摩擦。

定义高速冲击过程中，结构单位质量吸收的能量值为结构的能量吸收率，表达式：