Al_CFRP_混合蜂窝铝...夹芯多层结构抗侵彻数值模拟_纪垚.pdf

DOI:10.11858/gywlxb.20220657Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻数值模拟纪垚1，徐双喜1，陈威1，乐京霞1，李晓彬1，李营2（1.武汉理工大学船海与能源动力工程学院,湖北武汉430063；2.北京理工大学先进结构技术研究院,北京100081）摘要：结合金属/复合材料层合结构的抗侵彻能力，基于混合蜂窝结构低成本、高韧性以及在低速冲击下吸能的特点，设计了一种 Al/CFRP（carbonfiberreinforcedplastics）/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构，旨在利用各层结构特点，逐步降低弹体速度，高效吸收弹体动能，以达到防护效果。为探究 Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的损伤演化规律及吸能特性，开展了 Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的数值分析，探讨了冲击能量对多层结构抗侵彻性能的影响。结果表明：与 Al/CFRP 复合结构相比，引入混合蜂窝铝后，结构给予弹体的反作用力增大，在能量不变的情况下，弹体作用板的时间变短。在 Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻过程中，Al 板和 CFRP 芯层主要抵抗侵彻以降低弹体速度，混合蜂窝铝主要是吸能。在40J 的冲击能量下，结构总吸能为 36.79J，比吸能为 0.217J/g，蜂窝铝芯层吸能占主要部分，吸能比率为 30.3%；随着冲击能量的增大，蜂窝铝芯层的吸能比率增至56.2%，即冲击能量较大时蜂窝铝芯层的吸能效果更好。关键词：复合夹芯结构；碳纤维增强复合材料；侵彻；比吸能中图分类号：O347;TB333文献标识码：A随着复合材料及先进结构的快速发展，传统单一的钢板防护结构已转向轻质高效的多层防护结构1。开展多层防护结构的抗侵彻研究，探究其在弹体侵彻下的响应特性和吸能规律，对于先进防护结构设计具有重要意义。在抗侵彻多层防护结构方面，由于复合材料具有轻质、高强度的特性，学者们对金属/复合材料层合板开展了研究。Li 等2研究了不同冲击角度下纤维铝层压板在单次和重复低速冲击下的动态响应和损伤机理，分析了多次冲击下各层的动态响应和损伤演化。马小敏等3通过试验与数值模拟方法研究了 Kevlar/Epoxy 复合材料板在平头钢质弹体侵彻下的损伤模式。金子明等4通过球形弹侵彻芳纶纤维增强复合材料板试验发现，层合板的失效模式主要为局部变形、分层、纤维断裂以及纤维和基体的脱粘。Zhou 等5采用有限元模拟方法研究了碳纤维复合材料层合板在多次低速冲击下的动态力学响应和损伤发展。Jaroslaw 等6研究了Al/CFRP（carbonfiberreinforcedplastics）/Al 和Al/GFRP（glasscarbonfiberreinforcedplastics）/Al两种夹层板抗低速冲击的损伤特性，结果表明：Al/GFRP/Al 夹层板的损伤特征主要表现为接触区域的塑性大变形和层间分层，而 Al/CFRP/Al 夹层板则在接触区域形成穿孔。Ryan等7研究了由碳纤维增强复合材料面板和泡沫铝芯层组成的CFRP/Al/CFRP夹层板在侵彻过程中的吸能特性，基于Christiansen8提出的Whipple-Shield方程建立了夹层板的弹道极限方程，并通过试验验证了其*收稿日期：2022-09-16；修回日期：2022-11-20 基金项目：国家自然科学基金（51979213）；湖北省自然科学基金（2021CFB064）作者简介：纪垚（2001），男，硕士研究生，主要从事抗爆防护结构设计研究.E-mail： 通信作者：陈威（1988），男，博士，副教授，主要从事抗爆防护结构设计研究.E-mail：第37卷第1期高压物理学报Vol.37,No.12023年2月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSFeb.,2023014201-1准确性。Zhang 等9的研究表明，铝蜂窝主要通过塑性变形吸收冲击能，上蒙皮和蜂窝芯体是吸能较大的两个部件。Morada 等10对环氧树脂芯夹层板开展了低速冲击实验和数值分析，发现其主要破坏模式是蒙皮和芯体的局部压痕，在能量吸收方面，高达 50%的初始冲击能被芯材吸收，只有少量能量因基体损伤而在蒙皮中耗散。Guo 等11通过试验研究了泡沫铝夹层板在反复冲击下的动态特性，比较了冲击前后表面的穿透情况。Xu等12使用不同形状（平头、半球头、尖头）的弹体分别对由碳纤维增强复合材料与铝合金组成的夹层板进行了弹道冲击试验，结果表明，夹层板抗平头弹侵彻性能优于抗半球头弹和抗尖头弹。朱倩13数值模拟了刚性弹体侵彻Al/CFRP/Al夹层板的过程，发现夹层板的抗侵彻性能与弹体形状存在一定的相关性，但随着弹体初速度的升高，两者的关系逐渐减弱。虽然许多学者对金属/复合材料层合板开展了大量研究，但大多针对多层密实结构，缺乏高效吸能的多孔结构设计。基于此，本研究在当前金属/复合材料层合板的基础上，利用多孔结构高效吸能的特点，引入混合多孔蜂窝芯层，设计一种 Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构，探究其在弹体侵彻下的损伤演化规律及吸能特性，为高效防护结构设计提供支撑。1 数值建模方法及验证 1.1 数值模拟方法验证参考李毅翔14的单一 Al 板仿真模型，建立单一 Al 板的有限元模型，如图 1 所示。其中，Al 板采用实体单元（C3D8R）构建，厚度为 1mm，Al 板的几何尺寸为 100mm100mm。上下压盘采用通用接触，切向的摩擦因数为 0.3，法向设置为硬接触。弹体为半球状，采用实体单元（C3D8R）建模，弹体半径为 5mm，长 20mm，总质量为 17.55kg，弹体的冲击速度为 2.14m/s，即冲击能量为 40J。弹体整体的网格尺寸为 1.5mm，在 Al 板受载区域局部细化为 1.0mm 网格。Al 板的材料参数如 0表 1 所示，其中：为密度，E 为弹性模量，v 为泊松比，A、B、n、m 为 Johnson-Cook 本构模型中的材料特性常数，Tm为材料熔点，Tt为当前温度，D1、D2、D3、D4、D5为 Johnson-Cook 失效模型参数，为参考应变速率。如图 2 所示，Al 板的力-位移曲线变化趋势及峰值力大小与李毅翔14的结果具有良好的一致性。对比 40J 冲击下的数值模拟结果与李毅翔14的模拟结果（见图 3 和表 2）发现：从破口形状来看，二者均为整体向外扩裂失效，且破口大小均为 10mm 左右；从冲击峰值应力及吸能来看，峰值应力的相对偏差约为 2.8%，吸能的相对偏差为 2.9%，说明本数值模型及方法是有效的。图1单一 Al 板的有限元模型Fig.1FiniteelementmodelofanAlplate表 1 7075-T651 铝合金的材料参数以及 Johnson-Cook 本构模型和失效模型参数Table 1 Material parameters,Johnson-Cook constitutive model andfailure model parameters of 7075-T651 aluminum alloy/(kgm3)E/GPavA/MPaB/MPanmTm/K281071.70.335204770.521.61893Tt/KD1D2D3D4D5 0/s12930.0960.0493.4650.0161.0990.0005第37卷纪垚等：Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻数值模拟第1期014201-2 1.2 Al/CFRP 层合板有限元模型构建为发挥轻质复合材料优异的抗侵彻性能，在单层 Al 板的基础上引入 CFRP 板，建立了 Al/CFRP 层合板数值模型，其中 Al 及弹体的参数与 1.1 节一致，CFRP 板的厚度为 1.5mm，铺层顺序为 0/90(4)/0，摩擦因数为 0.3，法向接触为硬接触。中心受载区域的网格尺寸为 0.5mm0.5mm，边缘的网格尺寸为5mm5mm。为准确模拟层合板的边界，将各板边缘设置为固支。CFRP 的材料参数如表 3 所示，其中Xt、Xc分别为沿纤维轴向的拉伸强度和压缩强度；Yt、Yc分别为垂直纤维方向的拉伸强度和压缩强度；E11、E12、E13为不同方向的弹性模量，G12、G13、G23为不同方向的剪切模量，v12、v13、v23为不同方向的泊6121824012345Displacement/mmForce/kNThis paperRef.14图2数值模拟得到的 Al 板的力-位移曲线Fig.2Simulationresultsofforce-displacementcurvesofAlplate(a)Simulation results of this paper(b)Simulation results of Ref.14(d)Break of Ref.14(c)Break of this paper图3Al 板的破口形状和破口大小对比Fig.3ComparisonofbreakshapeandsizeofAlplate表 2 40 J 冲击能量下峰值应力与吸能对比Table 2 Comparison of peak stress and energy absorption when the impact energy is 40 JCategoriesPeakforce/kNEnergyabsorption/JThispaper3.4821.42Ref.143.5822.08Error/%2.82.9第37卷纪垚等：Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻数值模拟第1期014201-3松比，S12、S13、S23为不同方向的面内剪切强度，其中 1 代表沿纤维方向，2 代表垂直纤维方向，3 代表面外法向。失效采用二维 Hashin 失效准则15。1.3 Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构的有限元模型构建在 Al/CFRP 板抗侵彻研究的基础上，考虑到混合蜂窝结构具有更优越的面内压缩性能17，引入多孔混合蜂窝铝芯层，设计了一种 Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构，如图 4 所示。其中 Al 板、CFRP 板、弹体的参数与 1.1 节一致，蜂窝铝芯层采用壳单元（S4R）描述，蜂窝铝的壁厚为 1mm，芯层厚度为 3.5mm，传统蜂窝边长为 2mm，负泊松比蜂窝边长为 4mm。蜂窝铝的网格尺寸为 1mm1mm，板边缘均采用固支边界条件。2 不同结构抗冲击的数值模拟结果分析 2.1 Al/CFRP 层合板数值模拟结果分析Al/CFRP 层合板的冲击力-时间曲线、冲击力-位移曲线、内能-时间曲线、动能-时间曲线如图 5 所示。对比冲击力-时间曲线发现，在 40J 能量冲击下，单一 Al 板的冲击力急速下降至零，说明板被弹体穿透后与弹体脱离。相比 Al 板，Al/CFRP 板的冲击力增加得更迅速，峰值力更大，峰值力出现得更早，说明引入 CFRP 芯层后，整体结构由于刚度变大而迅速吸收弹体能量，从而提升防护作用，达到快速吸收弹体能量的目的。图 5 中，1020ms 之间有一段吸能过程，最终弹体回弹，冲击力逐渐下降。对比单一 Al 板和 Al/CFRP 板的能量-时间曲线，可以看出，Al/CFRP 板吸能 32.1J，相比单一 Al 板吸能（21.4J）增长 26.7%，表明引入 CFRP 芯层后，整体结构强度和刚度增大，在冲击能量不变的条件下，相互作用力增大，吸收能量增加，从而使 Al/CFRP 板具有更好的吸能效果。图 6 显示了弹体侵彻 Al/CFRP 板的全过程，根据图 5(d)所示的动能-时间曲线，整个侵彻过程分为3 个阶段：(1)弹体侵彻 Al 板阶段，如图 6(a)所示，对应图 5(d)的 S1 阶段，此时弹体开始侵彻 Al 板，弹体能量减少，在载荷作用下，Al 板开始产生轻微塑性变形，随着弹体的不断深入，侵彻后如图 6(b)所示，Al 板出现花瓣形破口；(2)弹体侵彻 CFRP 芯层阶段，见图 5(d)的 S2