浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2020, 54(12): 2329-2335 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.12.007

机械工程、能源工程

错位装配串联蜂窝结构缓冲吸能特性

翁杭建,, 党晓娟, 张晓晶,

Energy absorption properties of tandem honeycomb with dislocated assembly

WENG Hang-jian,, DANG Xiao-juan, ZHANG Xiao-jing,

通讯作者: 张晓晶，女，副教授. orcid.org/0000-0003-0958-472X. E-mail： zhangxj76@sjtu.edu.cn

收稿日期: 2019-11-9  

Received: 2019-11-9  

作者简介 About authors

翁杭建（1995—），男，硕士生，从事夹层结构力学性能研究.orcid.org/0000-0002-5443-4061.E-mail：whjnuaa@163.com , E-mail：whjnuaa@163.com

摘要

为优化串联蜂窝的缓冲吸能效果与增强蜂窝结构的可设计性，通过平压实验与全尺寸有限元模拟研究装配错位对于串联蜂窝结构力学性能的影响. 采用准静态面外压缩实验，对单层蜂窝、双层对位装配蜂窝、双层错位装配蜂窝3种形式的Nomex蜂窝夹层结构进行测试，通过结构变形过程和响应曲线分析变形机理. 实验结果表明，双层串联蜂窝相比单层蜂窝结构可以有效改善蜂窝结构的承载能力和吸能效果. 错位装配使两层蜂窝同时开始变形，相比对位装配能进一步提升平台应力，消除第2个峰值应力，承载能力和吸能效果均有较大提升. 有限元模型通过建立蜂窝细节模拟错位装配效果，模拟与实验结果具有良好的一致性，同时验证了不同材料隔层对串联蜂窝力学性能的影响.

关键词： 串联蜂窝 ; 错位装配 ; 面外压缩 ; 缓冲吸能 ; 有限元模型

Abstract

The effects of dislocated assembly on the mechanical properties of tandem honeycomb structure were investigated through flatwise compression experiments and full-scale finite element simulation in order to optimize the energy absorption property and enhance the designability of tandem honeycomb structures. Quasi-static out-of-plane compression experiments were carried out on Nomex honeycomb-cored sandwich structures, include three structural forms of single-layer honeycomb, double-layer aligned assembly honeycomb, and double-layer dislocated assembly honeycomb. The deformation processes and the compression response curves of the structures were recorded to analyze the structure deformation mechanism. Experimental results show that the double-layer tandem honeycomb can effectively improve the bearing capacity and the energy absorption property of the honeycomb structure compared to the single-layer honeycomb. Dislocated assembly causes two layers of honeycomb to deform at the same time. Compared with the aligned assembly honeycomb core, dislocated assembly can further increase the plateau stress, eliminate the second peak stress, and greatly improve the bearing capacity and the energy absorption effect. The finite element model which considers the honeycomb core detail was developed to simulate the dislocated assembly effect. The simulation results were in good agreement with the experimental data. The effects of different clapboard materials on the mechanical properties of tandem honeycombs were also verified by the numerical simulation.

Keywords： tandem honeycomb ; dislocated assembly ; out-of-plane compression ; energy absorption ; finite element model

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本文引用格式

翁杭建, 党晓娟, 张晓晶. 错位装配串联蜂窝结构缓冲吸能特性. 浙江大学学报(工学版)[J], 2020, 54(12): 2329-2335 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.12.007

WENG Hang-jian, DANG Xiao-juan, ZHANG Xiao-jing. Energy absorption properties of tandem honeycomb with dislocated assembly. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2020, 54(12): 2329-2335 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.12.007

Nomex纸蜂窝是由芳纶纸制成的轻质芯材，广泛用于各种夹层结构中. Nomex蜂窝具有较低的强度/重量比、出色的耐腐蚀性、抗冲击性以及良好的可成型性和阻燃性[1-3]。Nomex纸蜂窝具有塌陷应力低，压缩行程大的特点，以其作为芯子的蜂窝夹层结构具有出色的能量吸收能力，被作为缓冲吸能结构广泛使用. 例如在交通运输行业用于碰撞和减振结构[4-6]，在航空航天领域用于减冲击和着陆吸能装置[7-8].

近年来，随着对缓冲吸能结构压缩行程要求的提高，以及对夹层结构功能可设计性的需求，多层蜂窝组合的串联蜂窝引起了研究人员的广泛关注. 李萌等[9]通过实验和模拟研究了在准静态载荷下的串联铝蜂窝结构，结果表明串联蜂窝结构比单个蜂窝结构能吸收更多的能量. 李翔城等[10]研究比较了串联式和组合式多级铝蜂窝的面外压缩响应，研究结果为最优的缓冲能量吸收结构设计提供了新的选择. 王中钢等[11-12]研究了普通蜂窝、强度梯度蜂窝和预压缩蜂窝的力学性能，研究显示串联蜂窝结构具有更好的机械性能，且预压缩后的串联蜂窝结构比单个蜂窝具有更稳定的压缩历史. Zhou等[13]讨论了不同类型的双层Nomex蜂窝的力学性能和能量吸收，结果表明使用具有不同蜂窝规格的双层蜂窝结构可以控制变形顺序和梯度能级.

以上研究结果表明，串联式蜂窝的应用越来越成熟，对于铝蜂窝串联结构的研究更加深入，而Nomex串联蜂窝结构的研究较少. 本文通过研究含薄膜隔层的Nomex串联蜂窝结构，分析装配错位对串联蜂窝结构变形序列和性能的影响，为多级蜂窝结构的承载能力和吸能效果优化设计提供新的方法.

1. 实验结果与讨论

1.1. 实验试样

采用3种不同类型的Nomex串联蜂窝夹层试样，包括单层蜂窝夹层结构（C）、双层对位串联蜂窝夹层结构（CW）以及双层错位串联蜂窝夹层结构（CWC）. 双层结构在蜂窝界面处均插入厚度为0.2 mm的吸波薄膜单层，薄膜单层在设计时可替换为其他功能性材料，实现更丰富的功能性，也可以使上、下蜂窝界面处粘接更牢固. 所有试样界面均使用J-299双马结构胶膜进行固化粘接，包括蜂窝与面板界面、蜂窝与薄膜界面. 本研究所使用的蜂窝芯材的方向定义及尺寸如图1所示.

图 1

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图 1   蜂窝芯子方向与尺寸

Fig.1   Direction and dimension of honeycomb core


对位表明试样在装配过程中上、下蜂窝对齐，错位则是在装配过程中对齐后一层蜂窝芯沿着L方向平移1倍蜂格边长（1.85 mm）的距离，使上、下蜂窝在六边形角点互相支撑. 如图2所示为串联蜂窝错位装配的俯视图，其中浅色和深色部分分别为上、下层蜂窝.

图 2

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图 2   串联蜂窝错位装配模式俯视图

Fig.2   Top view of tandem honeycomb with dislocated assembly


实验所用蜂窝芯材料的特性和规格均相同. 所用试样芯子的尺寸为50 mm （L）×50 mm （W）×20 mm（T）. C组芯子为20 mm单层Nomex蜂窝芯，CW和CWC组芯子为双层被薄膜隔开的10 mm蜂窝芯，蜂窝夹层结构使用标称厚度为1 mm的铝板作为面板材料. 各组试样类型如图3所示。

图 3

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图 3   各组蜂窝实验试样

Fig.3   Honeycomb experiment specimens of each group


蜂窝芯材由规则六角形Nomex芳纶纸蜂窝构成，蜂格孔径为3.2 mm，边长为1.85 mm，密度为48 kg/m3，单层标称厚度为0.05 mm. 由于制造工艺的原因，与其他单元壁相比，L方向的孔壁（图1中的灰色部分）是双层厚度. 蜂窝芯子的相对密度可通过下式计算[14]：

$ \frac{{\rho }^{*}}{\rho }=\frac{8}{3}\frac{t}{c}. $

式中：t为孔壁的厚度，c为蜂窝的孔径， ${\rho }^{*} $为多孔材料的整体密度，ρ为孔壁材料的密度， ${\rho }^{*} $/ρ为芯子相对密度. 对于具有双层厚度的蜂窝，由式（1）可得，芯子的相对密度为0.042，蜂窝纸的密度为1 143 kg/m3.

1.2. 实验方法

为了满足蜂窝的多功能性需求，采用吸波薄膜材料作为蜂窝层间隔层界面，薄膜基底为聚酰亚胺绝缘材料. 根据ASTM-D882塑料薄板抗拉测试标准测定薄膜材料的拉伸性能，通过激光引伸计测量应变. 对于薄膜横向和纵向试样各进行3次测试，实测平均应力-应变曲线如图4所示. 由图可见薄膜材料具有明显的双线性，在横、纵方向的弹性模量基本相同，但是横向延展性显著优于纵向方向. 薄膜材料的拉伸性能参数如表1所示，其中，E为材料弹性模量，σy为屈服应力，σcr为断裂应力，εy为屈服应变，εcr为断裂应变.

表 1   薄膜材料拉伸性能参数

Tab.1  Tensile properties of thin film

方向 E /GPa σy /MPa σcr /MPa εy εcr
横向 4.213 104 158.4 0.035 5 0.242 0
纵向 4.294 103 110.0 0.034 9 0.048 9

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图 4

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图 4   薄膜拉伸应力应变曲线

Fig.4   Stress–strain curve of thin film


夹层结构的面外准静态压缩性能根据ASTM-C365蜂窝芯子平压测试标准进行测试，使用MTSE45.105静力实验机保持0.5 mm/min的恒定位移控制以实现准静态压缩，以5 Hz的频率记录数据.

1.3. 蜂窝压缩实验芯子变形过程

如图5所示为蜂窝试样的压缩变形进程，U3为蜂窝面外压缩位移. 可以看出，3组蜂窝结构都是经由蜂窝胞壁的屈曲来达成吸能目的. 在仅含单层蜂窝的C组中，蜂窝屈曲随机地分布在芯子中部，从芯子中部开始逐渐折叠直至密实化. 在具有双层对位蜂窝的CW组中，薄膜隔层在蜂窝屈曲过程中变形很小，屈曲首先出现在其中一层蜂窝中，而另一层蜂窝几乎不产生大的变形，直至先发生屈曲的蜂窝压实，第2层蜂窝才开始发生明显的屈曲行为，最后在第2层蜂窝也完成压实后串联芯子共同完成密实化进程. 在具有双层蜂窝错位装配的CWC组中，蜂窝屈曲首先发生在两层蜂窝的对角位置，在双层蜂窝界面处蜂窝壁产生了明显的嵌入薄膜趋势，但是由于薄膜层的存在抵抗了部分变形，嵌入并未实质发生，随着压缩过程的进行，对角屈曲愈发明显，上、下两层蜂窝呈现中心对称的变形模式，随后屈曲逐渐从对角向中心扩展直至芯子密实化. 通过比较3组蜂窝芯子的变形序列，可以发现双层串联蜂窝与单层蜂窝变形存在显著差异，对位装配蜂窝逐层变形，薄膜在压缩过程中变形较小；错位装配蜂窝在错位影响下两层芯子同时发生变形，相比于对位装配蜂窝变形序列更平缓.

图 5

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图 5   各组蜂窝压缩变形进程

Fig.5   Deformation processes of honeycomb groups under flatwise compression


1.4. 缓冲吸能特性分析

为研究不同蜂窝夹层结构的力学性能和缓冲吸能特性，引入蜂窝的塌陷应力σc、塌陷应变εc、平台应力σp、能量吸收Ea作为评估标准指标. 如图6所示为各组蜂窝结构实验的平均应力、应变曲线，图中σ为蜂窝面外压缩等效应力，ε为面外位移等效应变，C组曲线为典型蜂窝结构的响应曲线，以此为例对各指标进行说明.

图 6

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图 6   各组蜂窝结构平均应力-应变曲线

Fig.6   Average stress-strain curves of each group of honeycomb structures


塌陷应力σc与塌陷应变εc指在蜂窝压缩过程中响应曲线从弹性变形阶段变换到塌陷阶段的临界应力、应变（图6中C组曲线B点对应的应力、应变）. 平台应力σp主要反映结构的承载能力，可以根据在压缩载荷作用下位移进程中平台阶段的均值应力来计算[13]（图6中曲线CD部分）:

$ {\sigma }_{{\rm{p}}}=\frac{{\displaystyle\int }_{{d}_{C}}^{{d}_{D}}f\left(x\right){\rm{d}}x}{{(d}_{D}-{{{d}}}_{C})S}. $

式中：f (x)为位移x对应的力，dC和dD分别为平台阶段对应的起点和终点的位移，S为蜂窝面外等效截面积. 蜂窝压缩过程的Ea可以使用压缩过程中力位移曲线下的面积来计算：

$ {E}_{{\rm{a}}}={\int }_{{d}_{A}}^{{{{d}}}_{D}}f\left(x\right){\rm{d}}x . $

式中：dA和dD分别为压缩方向位移的起点和终点，进入密实化阶段处的位移（D点）被视为压缩位移的终点.

蜂窝结构的等效弹性模量Ee根据ASTM测试标准测出，而蜂窝材料的实际弹性模量Es可以通过下式求出：

$ {E}_{{\rm{s}}}=\frac{{E}_{{\rm{e}}}{A}_{2}}{{A}_{1}}=\frac{3\sqrt{3}l}{8t}{E}_{{\rm{e}}} . $

式中：A1为蜂窝结构的等效截面积，A2为蜂窝壁的实际面积. 代入C组的等效弹性模量、蜂格边长l、蜂窝单层厚度t，得到蜂窝材料的弹性模量为2 643.5 MPa.

从图6可以看到，各组平台应力段呈现逐渐增大的趋势，这可能是由于夹层结构粘接时孔隙内部存在的空气压缩提供的气体压力导致. CW组相比于C组有2个明显的峰值应力，这是典型的串联蜂窝响应曲线，和实验过程中观察到的上、下蜂窝按顺序屈曲的现象符合，2个峰值分别对应不同层的蜂窝屈曲。对于CWC组，由于错位地存在着双层蜂窝，以中心反对称的形式同时开始损伤，虽然是双层蜂窝串联，但是在整个响应阶段仅出现1次明显的峰值应力，在整体响应上CWC的平台应力阶段更类似于单层蜂窝组C组，相比于CW组更加平滑.

如图7所示为各组蜂窝结构的吸能曲线. 结合图7与如表2所示3种不同蜂窝夹层结构的吸能表现，可以发现3种构型均在应变为0.022 5 （位移0.45 mm）左右时达到弹性段顶点，且均在应变约为0.04时进入平台应力阶段. CW组相比于C组塌陷应力提高约5.2%，平台应力提高约7.9%，Ea提高约7.5%；CWC组相比于C组塌陷应力提高约6.7%，平台应力提高约13.4%，Ea提高约13.0%. 因此，具有错位装配模式的串联蜂窝CWC组，相比于单层蜂窝不仅可以通过插入功能性界面层来提升蜂窝结构的可设计性，而且具有更高的承载能力与更好的能量吸收效果。与普通对位装配串联蜂窝CW组相比，由于错位装配的作用，消除了平台应力阶段的第2个峰值应力，吸能曲线更平滑. 薄膜界面层的存在避免了上、下蜂窝错位接触导致的互相嵌入，蜂窝层嵌入会导致等效密度增加带来高塌陷应力，对于缓冲吸能结构而言，过高的塌陷应力不利于结构进入吸能阶段. 因此，本研究实验中提供的错位装配串联蜂窝结构，拥有更好的承载性能和更显著的能量吸收效果.

表 2   蜂窝结构实验性能参数

Tab.2  Honeycomb structure experimental performance parameters

组别 σc /MPa εc Ee /MPa σp /MPa Ea /J
C 1.93 0.022 5 110 1.27 46.88
CW 2.03 0.022 5 106 1.37 50.39
CWC 2.06 0.022 5 112 1.44 52.97

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图 7

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图 7   各组蜂窝结构吸能曲线

Fig.7   Honeycomb structure energy absorption curves of each group


2. 有限元模拟

2.1. 有限元模型

根据蜂窝结构的实际尺寸建立细节有限元模型，其中蜂窝单壁的厚度为0.05 mm，双壁的厚度为0.10 mm. 蜂窝芯体和面板均使用壳单元（S4R）建模，在进行网格敏感性研究后，如图8所示，在蜂窝芯的每条边布置8个单元[15]，芯子和面板的网格尺寸分别为0.400 mm×0.225 mm和2.0 mm×2.0 mm.

图 8

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图 8   CWC组典型有限元模型

Fig.8   Typical finite element model of group CWC


模拟所用铝面板的弹性模量、泊松比和密度分别为70 GPa、0.33和2700 kg/m3. 蜂窝壁使用理想弹塑性材料模型[16-18]，其弹性模量、屈服应力、泊松比和密度分别为2643.5 MPa、88 MPa、0.3和1143 kg/m3，在应变达到伸长率极限9.6%后，应力降低为5 MPa. 薄膜层被当作双线性材料处理，其性能参数按表1实验参数输入. 在模型模拟过程中，将薄膜层材料替换为铝，以验证不同材料隔层的差异. 蜂窝压塌过程是非常复杂和非线性的问题，为了提高计算效率并避免收敛问题，使用ABAQUS/EXPLICIT求解器进行计算.

因为模拟的是准静态压缩过程，蜂窝壁在压缩过程中可能发生自接触，所以采用罚函数和硬接触来定义切向和法向相互作用. 根据Kim等[19]的研究，将自接触摩擦系数设为0.4；按照Liu等[20]的研究，选择1 mm/s的加载速度. 上、下面板分别耦合到2个参考点RP-1和RP-2，以便在参考点上施加载荷并提取反作用力. RP-2的6个自由度（Ux、Uy、Uz、Rx、Ry和Rz）均固定，RP-1的2个平移方向（Ux和Uy）和3个旋转方向（Rx、Ry和Rz）固定. 在RP-1沿z方向施加18 mm的位移载荷，使用表格函数定义幅值曲线，以模拟准静态压缩过程. 在实验过程中，压缩进程结束后夹层结构界面胶层未被损伤，因此在模型中认为是理想粘接，限制条件设为Tie模拟绑定，提高计算速度.

2.2. 模拟结果及讨论

通过比较有限元结果与实验结果，可以检验有限元模拟结果的准确性. 如图9所示为在相同面外压缩位移下（U3=2 mm）有限元与实验变形结果的对比，两者的变形模式一致性高，从变形的角度而言，有限元模型准确模拟了实验结果.

图 9

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图 9   蜂窝结构实验与有限元变形对比（U3=2 mm）

Fig.9   Experiment and simulation deformation comparison of honeycomb structures（U3=2 mm）


提取有限元模拟结果得到的应力、应变曲线与实验进行比较，如图10所示. 因为全尺寸模型仿真，未加入气体压力的影响，所以在平台应力阶段，实验曲线与模拟曲线出现了较大幅度的偏离，但是从图中可以看出，整体曲线走势基本一致，对于弹性段拟合效果突出，且有限元结果对于CW组第2峰值出现位置预测也与实验结果一致. 由图10（d）可以看出，对于有限元模拟结果，仍旧保持着CWC与CW组吸能效果优于C组效果，CWC组吸能效果优于CW组，这与实验结果保持着良好的一致性. 在进行有限元模拟时，更换薄膜隔层为铝隔层，由图10（b）、（c）可知，面外响应效果与薄膜隔层组基本一致，证明对于刚度较大的铝隔层，错位装配模式依旧能体现同样的效果.

图 10

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图 10   蜂窝结构实验与模拟对比

Fig.10   Comparison of honeycomb structure experiment and simulation


表3列出了有限元模拟结果得到的蜂窝结构各性能指标。因为弹性段气体压力带来的影响很小，所以模拟结果的塌陷应力和塌陷应变与实验结果高度一致. 模拟结果中，CW组相比于C组平台应力提高约9.5%，能量吸收提高约8.5%；CWC组相比于C组平台应力提高约19.1%，能量吸收提高约14.5%，这些关键指标的提升程度与实验结果符合程度较好. 通过比较3组蜂窝结构的实验平台应力结果与模拟平台应力结果，发现模拟结果相比实验结果均下降约0.33 MPa. 根据文献[21]、[22]判断，模拟过程中如果忽略蜂窝内部气体压力将导致平台应力下降，而3组蜂窝结构内部所含气体体积基本一致，因此最终结论不受影响.

表 3   蜂窝结构模拟结果

Tab.3  Honeycomb structure simulation results

组别 σc /MPa εc σp /MPa Ea /J
C 1.90 0.022 5 0.94 34.33
CW 2.02 0.022 5 1.03 37.26
CWC 2.03 0.022 5 1.12 39.32

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3. 结　论

基于准静态面外压缩实验对采用含薄膜隔层的串联蜂窝缓冲吸能特性进行研究，分析装配错位对蜂窝结构吸能效果和承载能力带来的影响. 通过实验和模拟得到的压缩响应曲线分析串联蜂窝芯子变形机理，提取性能指标比较蜂窝结构的力学承载性能和缓冲吸能效果，主要结论如下。

（1）串联蜂窝相对于单层蜂窝提高了塌陷应力，塌陷应变基本保持一致，因此串联对蜂窝芯层屈曲发生阶段的影响很小.

（2）串联蜂窝有效提高了蜂窝夹层结构的平台应力和吸能效果，串联结构在界面位置可以添加需求的功能隔层，具有更好的可设计性.

（3）错位装配蜂窝的缓冲吸能效果和承载能力均优于对位装配蜂窝，错位装配导致屈曲同时发生于上下两层蜂窝，减少了峰值力数量，平台应力阶段和吸能曲线更加平滑.

（4）本文提出的错位装配模式能有效提高串联蜂窝吸能效果，更换薄膜隔层为铝隔层，下错位装配模式吸能提升效果良好，因此蜂窝结构受隔层材料影响较小.

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