潘 晉 黃義飛 徐榮康 許明財(cái)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院2) 武漢 430074) (武漢力拓橋科防撞設(shè)施有限公司3) 武漢 430070)

0 引 言

波紋夾層結(jié)構(gòu)由上下兩層鋼板及中間波紋型夾層板組合而成.通過(guò)在夾芯內(nèi)填充吸能材料可以有效提高波紋夾層結(jié)構(gòu)的吸能效果，并減小其在碰撞過(guò)程中的變形量[1].國(guó)內(nèi)外已有較多學(xué)者對(duì)波紋夾層結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的吸能和撞擊力做過(guò)研究.

Chen等[2]研究了波紋夾層結(jié)構(gòu)夾芯層厚度、高度和傾角對(duì)其在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下吸能效果的影響；Dear等[3]通過(guò)落錘試驗(yàn)研究了材料類型和夾層板尺寸對(duì)沖擊荷載作用下波紋夾層板的損傷變形與能量吸收的影響；韓賓等[4]利用LS-DYNA模擬夾層結(jié)構(gòu)在剛性沖頭作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng).周初陽(yáng)[5]通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)獲取了波紋夾層板在局部沖擊荷載作用下的損傷變形模式及撞擊力時(shí)序曲線，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.楊鵬飛[6]對(duì)波紋夾層板進(jìn)行了靜態(tài)壓縮試驗(yàn)及準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)增加面板厚度可有效提高結(jié)構(gòu)剛度，但結(jié)構(gòu)吸能無(wú)顯著提高，而增加夾芯層高度能有效延長(zhǎng)沖擊時(shí)間，在減小最大沖擊荷載的同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的吸能效果.秦偉[7]采用LS-DYNA研究橡膠填充蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能，計(jì)算結(jié)果表明橡膠填充物可以明顯減小夾層結(jié)構(gòu)的變形并增加結(jié)構(gòu)吸能.周昊[8]基于SPH算法研究在超高速破片沖擊作用下泡沫填充波紋夾層結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，得到了防護(hù)性能最優(yōu)的波紋結(jié)構(gòu)形式，并驗(yàn)證了泡沫填充的波紋夾層結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu).潘晉等[9]通過(guò)對(duì)船-橋墩防護(hù)裝置碰撞的仿真研究，對(duì)橋墩防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了改進(jìn).

現(xiàn)有研究多圍繞波紋夾層結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、夾芯層形狀，以及填充材料對(duì)結(jié)構(gòu)耐撞性能的影響展開(kāi)，而對(duì)于不同焊接形式及填充形式下波紋夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性分析較少.本文利用LS-DYNA模擬了不同焊接形式和不同填充方式下波紋夾層結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)，通過(guò)碰撞力峰值、吸能效果以及損傷特性對(duì)不同條件下夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性能進(jìn)行對(duì)比分析.

1 波紋夾層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

1.1 波紋夾層板外形尺寸

波紋夾層板主體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，未填充PVC泡沫的夾層結(jié)構(gòu)主要由上下面板和波紋核組成，波紋核形狀采用實(shí)際工程中最常用的三角形.為方便有限元計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比，泡沫填充夾層結(jié)構(gòu)與未填充夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與尺寸都保持一致，僅在夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)填充泡沫.夾層板整體外形尺寸大小為300 mm×300 mm×50 mm，面板、底板及波紋核厚度均為2 mm，波紋傾角為45°，其他尺寸見(jiàn)表1.剛性沖頭為30 mm×100 mm×150 mm的長(zhǎng)方體，質(zhì)量為55kg.

圖1 填充/未填充PVC泡沫波紋夾層結(jié)構(gòu)幾何示意圖

表1 夾層結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

1.2 單元及網(wǎng)格劃分

圖2為沖頭-波紋夾層結(jié)構(gòu)碰撞系統(tǒng)的模型.沖頭和PVC泡沫均采用實(shí)體單元模擬，其中沖頭為剛性材料，因此，只需要保證撞擊截面尺寸合理即可，沖頭質(zhì)量可以通過(guò)材料密度控制.波紋夾層板的數(shù)值模擬一般有兩種方法：①采用shell163單元模擬，并通過(guò)實(shí)常數(shù)定義其厚度；②采用solid164單元建模.為簡(jiǎn)化模型，縮短計(jì)算時(shí)間，本文采用shell163單元模擬.

a)未填充 b)PVC泡沫填充圖2 沖頭-波紋夾層結(jié)構(gòu)碰撞系統(tǒng)模型

網(wǎng)格密度對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性及計(jì)算所消耗的時(shí)間成本影響較大，因此需要對(duì)模型的網(wǎng)格密度進(jìn)行控制.為防止網(wǎng)格尺寸過(guò)大導(dǎo)致碰撞過(guò)程中沖頭和夾層結(jié)構(gòu)相互穿透，以及網(wǎng)格尺寸過(guò)小導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，本次計(jì)算中碰撞區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2 mm，其他區(qū)域網(wǎng)格4 mm，沖頭網(wǎng)格2 mm.

1.3 材料模型

波紋夾層結(jié)構(gòu)中除剛性底板外的全部板材均為5052鋁合金材料，在ANSYS/LS-DYNA中采用*MAT_PIECEWISE_ LINEAR_PLASTICITY塑性帶失效的材料模型模擬，該模型適用于各向同性及分段線性硬化塑性材料，可以較準(zhǔn)確的模擬鋁合金材料.由文獻(xiàn)[10]可知，材料的有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3.表2為5052鋁合金材料的基本參數(shù).

圖3 鋁合金材料的有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線

密度/(kg·m-3)彈性模量/GPa泊松比屈服強(qiáng)度/MPa2 700700.33150

文中波紋夾層結(jié)構(gòu)的填充為Divinycell H100型號(hào)的PVC泡沫，其密度ρ=100 kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=100 MPa，在LS-PREOST中選用的材料模型是Crushable Foam可壓損泡沫模型.由文獻(xiàn)[11]可知，PVC泡沫材料的應(yīng)力應(yīng)-變曲線見(jiàn)圖4.

圖4 PVC泡沫應(yīng)力-應(yīng)變曲線

落錘的沖頭采用*MAT_ RIGID剛性材料模型，沖頭剛度相對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)而言較大，采用剛性材料模型模擬.表3為沖頭的基本材料參數(shù).

表3 沖擊材料基本參數(shù)

1.4 接觸設(shè)置及邊界條件

波紋夾層板與沖頭之間設(shè)置面面接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)，其中接觸面在沖頭，目標(biāo)面為波紋夾層板上層面板.此外夾層結(jié)構(gòu)設(shè)置自接觸(*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)防止夾層結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下發(fā)生大變形而產(chǎn)生自我侵徹.接觸算法采用罰函數(shù)算法，該算法具有對(duì)稱性、動(dòng)量守恒、不需要碰撞和釋放條件，很少引起沙漏效應(yīng).

在邊界條件設(shè)置上，對(duì)波紋夾層結(jié)構(gòu)下層面板四邊上的節(jié)點(diǎn)施加全約束，即約束各節(jié)點(diǎn)在x,y,z三個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)角，以保證碰撞過(guò)程中夾層結(jié)構(gòu)不發(fā)生位移或轉(zhuǎn)動(dòng).對(duì)剛性底板四邊上所有節(jié)點(diǎn)約束全部自由度.另外碰撞過(guò)程中沖頭只能在豎直方向運(yùn)動(dòng)，因此需要將剩余5個(gè)方向的自由度全部約束.

2 焊接條件對(duì)夾層板耐撞性能的影響

2.1 碰撞力

由前期計(jì)算知，當(dāng)沖頭初速度大于5 m/s時(shí)，未填充PVC泡沫的波紋夾層結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下達(dá)到最大變形量而失去吸能效果，因此,本文選取2,3,4,5 m/s四組速度作為沖頭的初速度，對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性能進(jìn)行研究.圖5為不同速度下焊接與未焊接型波紋夾層結(jié)構(gòu)的碰撞力時(shí)程曲線對(duì)比.

由圖5可知，從碰撞力峰值及碰撞持續(xù)時(shí)間來(lái)看，當(dāng)撞擊速度為較低的2 m/s時(shí)，焊接與未焊接兩種工況下的碰撞力時(shí)程曲線較為接近，二者碰撞力峰值無(wú)明顯差異，但未焊接條件下的碰撞過(guò)程較焊接條件下長(zhǎng)；從碰撞歷程分析，焊接條件下碰撞力出現(xiàn)兩個(gè)峰值，第一峰值大小隨速度變化無(wú)明顯波動(dòng)，第二峰值隨著速度的增大而增大，這是由于夾層結(jié)構(gòu)上層面板和夾芯無(wú)法承受沖頭的沖擊，隨著初速度的增加，固定的下面板碰撞力會(huì)越來(lái)越大；未焊接條件下碰撞力在較短時(shí)間內(nèi)增加至峰值，然后在峰值處維持一段時(shí)間后以較緩慢的趨勢(shì)下降至0，且隨著撞擊速度的增大，碰撞力在峰值處維持的時(shí)間越長(zhǎng).

a)v=2 cm/s b)v =3 cm/s

c)v=4 cm/s d)v=5 cm/s

波紋夾層結(jié)構(gòu)在不同初速度的沖頭撞擊下碰撞力峰值對(duì)比見(jiàn)表4.

表4 不同速度及焊接條件下碰撞力峰值

由表4可知,夾芯層與上層面板焊接的波紋夾層結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的碰撞力峰值高于未焊接條件的碰撞力峰值，且隨著沖頭初速的增大，二者差距也逐漸增大，當(dāng)速度增加至5 m/s時(shí)，未焊接條件下的碰撞力峰值比焊接條件小了53.5%；焊接條件下波紋夾層板的碰撞力峰值會(huì)隨著撞擊速度的增大而增大，而未焊接條件下撞擊速度對(duì)碰撞力峰值的影響較小，這是由于當(dāng)撞擊速度超過(guò)某一值時(shí)，沖頭與波紋夾層板之間的碰撞力高于波紋夾層結(jié)構(gòu)的極限承載力，波紋夾層結(jié)構(gòu)在保持極限承載力的條件下通過(guò)自身不斷變形吸收沖頭的全部能量.

2.2 結(jié)構(gòu)損傷變形及吸能

圖6為兩種焊接形式的波紋夾層結(jié)構(gòu)在不同沖擊速度下的變形云圖，由圖6可知，焊接條件下的最大變形發(fā)生在沖頭與夾層板接觸的區(qū)域，且隨著沖擊速度的增大上層面板發(fā)生翹曲，但在該沖擊速度范圍內(nèi)，波紋夾層結(jié)構(gòu)能較好的維持其整體結(jié)構(gòu)形式；未焊接條件下夾芯層在向下壓縮的同時(shí)會(huì)向兩側(cè)擴(kuò)張，這是由于夾芯層與上下面板之間缺少節(jié)點(diǎn)約束而發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)；沖擊速度達(dá)到5 m/s時(shí)，未焊接的波紋夾層結(jié)構(gòu)幾乎達(dá)到其最大變形量，而夾芯層與上下面板焊接的波紋夾層結(jié)構(gòu)仍有較大的變形吸能空間.

a)v=2 m/s

b)v=3 m/s

c)v=4 m/s

d)v=5 m/s

波紋夾層結(jié)構(gòu)在不同初速度的沖頭撞擊下最大撞深對(duì)比見(jiàn)表5.

表5 不同速度及焊接條件下夾層結(jié)構(gòu)撞深

由表5可知，不論在何種沖擊速度作用下，波紋核與面板焊接時(shí)的撞深均小于未焊接的夾層板.當(dāng)速度大于2 m/s時(shí)，隨著速度的增加，未焊接夾層板與焊接型夾層板撞深差距越來(lái)越大.速度為3 m/s時(shí)，未焊接夾層結(jié)構(gòu)撞深比焊接型夾層結(jié)構(gòu)撞深大10.95%，速度達(dá)到5 m/s時(shí)二者撞深相差32.53%左右.

波紋夾層結(jié)構(gòu)在受到撞擊的過(guò)程中主要通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的變形來(lái)吸收能量，圖7為波紋夾層在不同工況下各結(jié)構(gòu)的吸能情況.

由圖7可知，無(wú)論焊接與否，在一定撞擊速度范圍內(nèi)，波紋夾層板各部分吸能均隨著撞擊速度的提高而增加，且撞擊的大部分能量被上層面板和夾芯層吸收，下層面板由于其下方剛性底板的限制，變形量很小，因此吸能較少.對(duì)于夾芯層與上下面板焊接的波紋夾層結(jié)構(gòu)，夾芯層吸能始終大于上層面板；而對(duì)于未焊接的夾層結(jié)構(gòu)，當(dāng)速度不超過(guò)4 m/s時(shí)，上層面板吸能高于夾芯層，當(dāng)速度達(dá)到5 m/s時(shí)夾芯層吸能才超過(guò)上層面板，這是由于未焊接條件下夾芯層剛度較小，在速度低于一定值時(shí)碰撞的能量主要由上層面板變形吸收，而撞擊速度達(dá)到5m/s時(shí)，上層面板的變形量達(dá)到極值，而夾芯層還有一定的變形吸能空間.

a)焊接 b)未焊接

3 填充形式對(duì)夾層板耐撞性能影響

3.1 夾層結(jié)構(gòu)填充形式

結(jié)合三角形波紋夾層結(jié)構(gòu)的空間特點(diǎn)，泡沫填充主要有三種方式，分別是全填充、迎撞面填充和背撞面填充.本小節(jié)在夾層結(jié)構(gòu)主尺度相同的條件下，考慮三種不同的泡沫填充方式對(duì)夾層結(jié)構(gòu)耐撞性的影響.

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖8為三種不同填充形式的波紋夾層結(jié)構(gòu)在不同速度下的碰撞力時(shí)程曲線圖.碰撞過(guò)程中，全填充與迎撞面填充的碰撞力均迅速上升到一定值然后緩慢上升至峰值后迅速回落至0；背撞面填充的波紋夾層結(jié)構(gòu)在碰撞過(guò)程中碰撞力迅速上升至第一峰值，在略微回落之后以較平緩的趨勢(shì)上升至第二峰值，然后迅速下降到0；三種填充形式下的碰撞力峰值均隨著沖擊速度的增加而增大，全填充形式的波紋夾層結(jié)構(gòu)碰撞力峰值最大，碰撞歷程最短，背撞面填充的波紋夾層結(jié)構(gòu)碰撞力峰值最小，碰撞過(guò)程最長(zhǎng).三種填充方式均會(huì)提高夾層結(jié)構(gòu)的整體剛度，從而提高結(jié)構(gòu)的耐撞性能，但碰撞力峰值也會(huì)急劇增加，從而對(duì)夾層板后的結(jié)構(gòu)失去保護(hù)作用，而背撞面填充碰撞力峰值較全填充小，且延長(zhǎng)了碰撞歷程，減小了結(jié)構(gòu)質(zhì)量.

圖9為不同填充形式下波紋夾層結(jié)構(gòu)各部分吸能對(duì)比圖.三種填充形式下主要吸能構(gòu)件均為夾芯層，這是由于鋁合金材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于PVC泡沫材料，且與上下兩層面板相比，夾芯層有較大的變形吸能空間；從PVC填充的利用效率來(lái)考慮，全填充形式的PVC泡沫的利用率較另外兩種填充形式高；背撞面填充形式下PVC泡沫的吸能最小，且隨著碰撞總能量的增加，其吸能占總吸能的比例逐漸下降，當(dāng)撞擊速度為5 m/s時(shí)，背撞面填充的PVC泡沫僅吸收了總能量的3.8%.

a) v=2 m/s b) v=3 m/s

c) v=4 m/s d) v=5 m/s

圖10為不同填充形式紋夾層結(jié)構(gòu)最大撞深柱狀圖.由圖10可知，沖擊荷載作用下，波紋夾層結(jié)構(gòu)撞深隨著沖擊速度的增大而增大，與完全不填充的工況相比，PVC泡沫填充對(duì)上層面板和夾芯的變形均起到了限制作用，減緩了上層面板的變形程度；全填充形式的波紋夾層結(jié)構(gòu)撞深最小,迎撞面填充形式的波紋夾層結(jié)構(gòu)撞深最大.

圖9 波紋夾層結(jié)構(gòu)各部分吸能圖

圖10 波紋夾層結(jié)構(gòu)撞深柱狀圖

4 結(jié) 束 語(yǔ)

在沖擊荷載作用下，夾芯層與上下面板焊接的波紋夾層結(jié)構(gòu)的碰撞力峰值比未焊接的波紋夾層結(jié)構(gòu)低，且隨著沖擊速度的增大二者差距變大；夾芯層與上下面板焊接的波紋夾層結(jié)構(gòu)的吸能能力比未焊接的夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)；不論焊接與否，夾層結(jié)構(gòu)的主要吸能部分為夾芯層和上層面板.

全填充、迎撞面填充、背撞面填充三種填充形式下的波紋夾層結(jié)構(gòu)中，在相同速度的沖頭撞擊下，全填充波紋夾層結(jié)構(gòu)的PVC泡沫的吸能效率高于另外兩種填充形式，但碰撞力峰值在三者中最大；迎撞面填充能有效提高結(jié)構(gòu)的剛度，從而提高夾層結(jié)構(gòu)的吸能能力，且能保證其碰撞力峰值不會(huì)過(guò)分增大.

因此，在波紋夾層結(jié)構(gòu)的極限沖擊能量范圍內(nèi)，未焊接形式的波紋夾層結(jié)構(gòu)的耐撞性能最優(yōu)，且能有效減少焊接帶來(lái)施工量；對(duì)于較高能量的沖擊荷載作用，可通過(guò)焊接及迎撞面填充PVC泡沫的形式提高結(jié)構(gòu)的耐撞性，這種形式的波紋夾層結(jié)構(gòu)能保證碰撞力峰值不過(guò)分增大的前提下提高結(jié)構(gòu)的吸能效果及抗變形能力.