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波纹空心多层夹层的冲击性能试验研究

关键词:多层夹层，波纹空心结构，速度敏感性，冲击测试，尼龙霍普金森压力杆

摘要:本文对多层波纹空心夹层在平面外受压缩冲击载荷作用时的性能进行了试验研究。本文首先介绍了本实验室波纹空心夹层的制造方法，其在准静态载荷作用下的力学性能具有良好的重复性。在直径97 mm、长度8 m的尼龙霍普金森压力棒的基础上，我们提出了一种测试结构来承载这个大的夹层试样，并对45.5 mm长的多层夹层试样施加70%的名义应变。高速成像系统提供了它们的变形模式，揭示了相邻层之间的相互作用。最后，在准静态和冲击载荷作用下，对1060块铝板波纹空心夹层进行了试验研究。实验结果表明，该方法具有显著的速率灵敏度，并可通过数值模拟再现。还观察了层间板的弯曲，这有助于减少连续折叠过程中的力振荡。

1，介绍

波纹空心夹层是一种高效的轻型结构，广泛应用于民用和军用领域。在过去的几十年里，他们吸引了许多学术兴趣，在公开文献中也报道了大量关于波纹空心夹层各个方面的研究。一方面，人们感兴趣的是预测其等效力学强度(相对于整体结构构件)，以优化核心微观结构或获得可用于结构数值分析的宏观本构模型(Cote et al. 2006;雪和哈钦森,2004 b)。主要的研究方法是对具有代表性的结构在准静态压缩/剪切/弯曲荷载作用下进行宏观测试，结合微观结构倒塌的观察/数值分析(Valdevit et al.， 2004;Wiernicki et al.， 1991)。另一方面，瓦楞纸芯夹层作为吸能材料，在冲击载荷作用下的性能也很理想。研究较多的载荷情况之一是局部压痕/穿孔的夹紧波纹空心板/梁被炮弹击中或受到集中冲击时的性能(Fleck and Deshpande, 2004; McShane et al., 2012; Rubinoet al., 2008; Wadley et al., 2013b).

另一种有趣的加载情况是爆炸/水压引起的压缩冲击加载，(Cui et al., 2012;McShane et al., 2010; Wadley et al., 2013a; Xue and Hutchinson,2004a).此外，由于这是一个平面外的压缩，一个自然的想法是使用多层夹层，而不是单层，以更好地抵御冲击负荷。例如，Wadley及其同事(Wadley et al.， 2008)和Dharmasena及其同事(Dharmasena et al.， 2009)研究了多层棱柱结构对爆炸荷载的动力响应。对多层夹层的数值分析，被用来研究多层夹层之间的相互作用。然而，在这些冲击试验中，往往缺乏准确/可靠的实验数据。由于脉冲长度的限制，Tilbrook等人(2007)报道了一个更可控的实验工作，使用直径为76.2 mm的霍普金森铝棒和一个两单元的单层夹层样品。

因此，需要一种可靠的测试装置来研究多层波纹空心层在平面外压缩冲击载荷作用下的性能。为此，提出了一种直径较大(97 mm)、长度为8 m的尼龙霍普金森压力棒，其脉冲长度足以达到多层夹层的压实应变水平。通过使用尼龙棒，可以承载在一层有更多的单元的较大的试样和提高信号/噪声比。

本文首先介绍了波纹空心夹层的制造工艺。大直径尼龙直接冲击霍普金森杆设置与必要的波色散校正和高速成像系统将详细介绍。最后给出了单层和多层夹层的速率灵敏度实验结果。这些试验的数值模拟可以解释观测到的速率灵敏度和层间相互作用。

2. 波形夹层试件及其准静态特性

本研究采用的波纹夹芯结构由0.5 mm厚1060铝板和1 mm厚铝板作为上下板的芯材组成。典型的单层试样如图1a所示。12 mm高的单层标本包含4个单元，其横截面为55 mmtimes;55 mm的正方形。每个单元的几何细节如图1b所示。

图1。单层夹层(a)，单层夹层(b)，单元尺寸(单位:mm)。

这种试样的尺寸是由制造限制和冲击试验中使用的压力棒的尺寸决定的。既往开放文献研究表明，当试样中含有4个或5个细胞时，试样大小对细胞结构的影响在任何方向上都有显著降低(Gibson andAshby, 1988)。我们在一个层中的四个单元结构应该满足最小单元数的要求。

2.1。核心的制造方法

波纹空心是在模具中由弯曲铝板制成的(见图2)。

图2，波纹薄板成型模具。

模具的几何形状如图3所示，考虑到铝板的厚度，上模冲床的尺寸与下模模具的尺寸略有不同。圆角半径0.5mm，用来防止铝板由于不可避免的摩擦而产生拉伸失效。每次冲压只形成一个单元。将铝板切割成如图4所示的矩形，并在每个单元的成型过程中标出不同的位置线。波纹空心的成型过程如下图所示。首先，将铝矩形沿下模具放置，使线1(图4)与极限线(图5a)重合。然后用下模紧固螺栓夹紧板材，上模穿过平衡销(图5a)。平衡销用于冲孔时保证上下模具的平行度。将整个冲模系统放入万能试验机中，以0.1 mm/s的速度压缩9.5 mm，产生第一个单元(图5b)。最大压缩载荷限制在1500牛，以防止不必要的过度压缩引起剪切。这样的过程可以重复，向右移动薄板24.5 mm，使其与2号线等线匹配，形成下一个单元(图5c)。在实验室中采用该工艺制备了一种波纹空心材料如图6所示。成形过程相当准确(详见图6b)

图3，成型模具几何形状(单位:mm)， (a)上模，(b)下模

图4，波纹薄铝版尺寸(单位:mm)

图5，波纹空心成型工艺(单位:mm) 1万能试验机2,上模3,铝板4,降低模具5,螺栓6,限制线7,平衡别针

图6，波纹薄板照片(a)波纹薄板,(b)波纹薄板局部放大图

2.2。夹层粘结组装

夹层试件是用1毫米厚的铝皮板粘接波纹芯组装而成。一层夹层如图7所示,用胶(3mDP810)涂抹55times;55毫米方形盘子表面，然后两个表面以及波纹空心薄板放在一起，用力按紧直到完全固化胶粘剂。多层夹层试件可通过重复试验制成，上述粘结过程(图8)。

图7，单层夹层的弯曲过程

图8，四层夹层的草图

最终单层和多层试件如图9所示，我们实验室制作的单层和四层夹层的实际高度分别为12 mm和45.5 mm。

图9，波纹空心夹层样本（a）单层夹层（b）四层夹层（c）放大视角

2.3。准静态载荷下的力学行为

采用万能试验机进行准静态单轴压缩试验。图10为四个试件的受力位移曲线。力由试验机的测压元件测量。位移可以通过机械位移减去试验机变形(无试样的机械力-位移曲线)，也可以通过光学测量得到。这些力-位移曲线显示了初始峰值力，然后由于波纹空心弯曲下降，最后由于空心的弯曲压急剧上升。这些曲线的一般特征是相同的，峰值力和空心压应变(从陡增力开始)的散射较小。结果表明，该工艺具有良好的重复性和精密度。

图10，单层夹层的力位移曲线

图11，四层夹层的力位移曲线

并对四层试样进行了四次准静态试验。单层和多层夹层的典型曲线对比如图11所示。多层夹层在初始加载阶段峰值力较小，刚度较小。在这个初始峰值力之后，多层夹层表现出对应于连续空心弯曲的循环力变化，直到最终的空心被压实。还观察到，四次试验的循环力变化并不遵循相同的破坏顺序，但平均力水平仍然相当接近。

表1列出了测试结果的摘要。结果表明，由于层间相互作用，四层夹层的峰值力散射大于单层夹层。接着是公开文献中关于致密化的定义，即最大的能量吸收效率(li et al .,2006),对单层夹层，致密化/压实被认为在5毫米的位移,5.38毫米,5.40米,5.43毫米，而四层夹层为23.7毫米,24.3毫米,23.8毫米和25.7毫米。吸收的能量和SEA也列于表1。

表一，静态实验摘要

3.冲击试验的实验装置

3.1。直接冲击霍普金森棒的设置

传统的分离式霍普金森压力棒在高速加载下具有较高的测量精度，不能直接用于大型波纹多层夹层结构。其他已知的常用测试设备(激波管、高速试验机或落锤设备)无法提供像霍普金森棒那样精确的测量，本研究采用基于霍普金森棒的系统。霍普金森压力棒的基本测量原理是记录与弹性波在压力棒中传播相关的应变脉冲(Hopkinson, 1914;Kolsky, 1949)。根据弹性波传播理论，纵波的应力和粒子速度可以由相关应变准确地确定。在杆/样品界面的力和速度由下式给出:Fbar = SBEεbar(t) ，Vbar = C0εbar (1)。其中Fbar、Vbar为界面处的力和粒子速度，SB、E、C0分别为压力棒的横截面积、杨氏模量和纵波速度。εbar (t)是在压力棒和试样交界面的压力脉冲。

然而,55times;55毫米方形试样的对角线距离为78 mm，需要用大直径的压力棒来支撑试样。此外，由于夹层的强度较弱，应使用低强度尼龙棒进行阻抗匹配。另一个难点是加载脉冲的长度。事实上，假设我们需要将四层夹层压缩到大约40mm的位移。冲击速度为10m /s时所需时间为4ms。在传统的SHPB版本中，输入杆的长度应为8米，而尼龙杆系统的弹丸长度至少为4米，这在实验室中是很难实现的。

由于上述原因，选择了直接冲击霍普金森杆的配置。我们提出了一种大直径(97 mm)尼龙直接冲击霍普金森杆的设置方案，其原理图如图12所示。

图12，直接冲击霍普金斯压杆简图（单位：mm）

试样是放置在压力棒前(2times;4米),800毫米长弹丸可以直接冲击试样。弹丸由与压力棒(尼龙PA66)相同的材料制成，并且它被气体枪发射到所需的攻击速度，就像在普通霍普金森杆系统中使用的那样。两个4米的棒一起将作为一个8米的输出霍普金森棒，对直接冲击配置没有加载脉冲限制，纵向应变由位于1、2、3三个位置的三对直径相反的应变计测量，从而确定试样与压力棒界面处的力和速度(式(1))。

为了评价试样的名义应变，需要计算夹层冲击面位移时程。为此，采用高速摄像机和数字图像相关(DIC)方法对弹丸的位移进行了跟踪。图13为整个测试配置的照片，可以看到成像系统的细节，通过减小弹丸与压力杆之间的位移，得到夹层的相对位移。这样就可以求出测试夹层的力(来自压力杆)-位移曲线。

图13，直接冲击霍普金斯压杆装置图片

3.2。大直径尼龙压力波色散校正

在直径为97mm的尼龙棒材中，由于几何色散对棒材的影响很大，因此棒材的波浪色散效应不容忽视。图14描述了三个不同的测量位置的三个记录(见图12)。在290mm的距离下，1号和2号量规的应变脉冲在传播过程中发生了变化，形状差异显著。即使在距杆端300毫米处进行胶结，界面处的应变剖面也与1号规记录的不一样。因此，对这种波色散效应的校正是必不可少的。

图14，不同位置脉冲比较。

文献中关于波色散校正的研究较多(Zhao et al.， 1997)。一般的原理是在频域中写出波的传播方程。考虑xa和xb的两个位置的距离，他们之间d,我们表示εa (xa,omega;)和εb (xb,omega;)为傅里叶纵波应变脉冲在这两个位置(xa和xb)的系数。这两个傅里叶系数遵循等式2有关。gamma;(omega;)是波传播系数εb(xb,omega;)= egamma;(omega;)dεa(xa,omega;) (2)

为了确定这个波传播系数gamma;(omega;),它可以使用Pochhammer-Chree方程和棒的材料性能(Zhao and Gary, 1995)。这是由Bacon(1998)提出的实验决定的，因为距离很小。

考虑到我们的97mm直径的压力棒(图12)，我们分别表示了在棒，试样交界面S0处以及在三个测量位置(x1, x2, x3) S1, S2, S3处的应变信号。波传播系数gamma;(omega;)可以由一系列记录信号通过使用使用等式(2)求出。例如,它可以计算从S1和S3的距离更大更好的精度。

ε3(x3,omega;)divide;ε1(x1,omega;) = eminus;gamma; (omega;)d13，d13为 x1和x3之间的距离,等于1717毫米。

通过重构信号S2-1(由S2通过Eq.(2)计算出x1处的信号)，可以验证传播系数是否足够准确。需要注意的是，这与从实测信号S1重构所需信号S0的操作是相同的。图15为x2 (S2-1)在x1处的预测信号与x1 (S1)处的记录信号的比较，可知波传播系数由x1和x3处的信号推导而来。结果表明，波的色散校正是准确的，实验确定的波的传播系数是可行的。

图15，纠正信号与记录信号的比较

图16为在信号层试样上进行真实测试的信号S1在x1处的图像，以及在压

力棒/试样交界面上重建的信号S0。证明了对大直径尼龙棒材进行波色散校正必要的。

图16，纠正信号与记录信号的比较

3.3。光学位移测量

采用自制的数字图像相关软件对尼龙杆/试样界面的位移进行了跟踪。自制的DIC软件匹配两个图像之间的对应点，结果与商业软件Aramis 6.3.1相当(Chu et al.， 1985;Croom et al .,2015;Guo et al., 2014a,b)。因此，散斑图案被放置在尼龙压力杆上以及弹丸上(图17)。

图17，(a)相干斑简图,(b)相干斑图片。

高速摄像头将以22006帧/秒拍摄544times;480像素的图像,而快门速度为45mu;s以保证图片的清晰度。虽然快门速度很高，但这两个强大的冷聚光灯，使得图像的对比度很好。测试前还需要对相机进行校准，以确定像素数与物理尺寸之间的对应关系。为此，我们使用平行于压力条边缘的标尺，像素对应于0.27 mm。

在杆/试样/弹丸界面上选择三个点来跟踪位移(图18)。图19为弹丸的三种轴向位移及压力杆。时间原点对应于弹丸与试样界面接触的力矩。对于单层夹层和多层试样，发现三条轴向位移曲线之间没有差异，因此它们沿轴向运动，没有明显的平面内旋转。

图18，DIC位移追踪位置(a)单层板，(b)四层板。

图19，动态压缩下的弧线比较(a)单层板(b)四层板，p1,p2,p3是交界面上弹

资料编号：[4034]