李澤昊 , 徐文龍 王成, 賈時(shí)雨, 穴勝鵬 馬東

(1. 山東大學(xué) 高等技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250061; 2. 山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061; 3. 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

與傳統(tǒng)均質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，夾芯結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的輕質(zhì)、抗沖擊和吸能特性，是武器裝備、航空航天、汽車、船舶等國(guó)防及民用領(lǐng)域沖擊防護(hù)的理想結(jié)構(gòu)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程應(yīng)用前景，得到了相關(guān)領(lǐng)域科研人員的廣泛關(guān)注[1-4]。

夾芯結(jié)構(gòu)主要由上面板、芯層材料和下面板構(gòu)成，芯層材料往往為密度較小的輕質(zhì)材料或結(jié)構(gòu)，在整個(gè)結(jié)構(gòu)的沖擊吸能特性中發(fā)揮關(guān)鍵作用[5]。常見傳統(tǒng)芯層材料結(jié)構(gòu)主要有蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)[6-7]和泡沫夾芯結(jié)構(gòu)[8-9]等。

在蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能研究方面，Zhang 等[10]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了鋁管增強(qiáng)對(duì)鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響(沖擊速度分別為0.97 m/s、1.37 m/s、1.94 m/s 和2.38 m/s)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)相比，鋁管增強(qiáng)結(jié)構(gòu)能更快地吸收沖擊能量，而且前面板的變形也因鋁管增強(qiáng)而明顯減少。受折紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)，Qi 等[11]提出了一種折紙蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，并采用樹脂3D 打印技術(shù)制造了折紙蜂窩芯，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其沖擊響應(yīng)的影響(沖擊速度分別為 2.00 m/s、2.83 m/s 和 3.46 m/s)，研究表明，與傳統(tǒng)的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)相比，折紙靈感蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了更強(qiáng)的能量吸收能力。針對(duì)極地船舶和海上結(jié)構(gòu)受浮冰沖擊安全評(píng)估和沖擊防護(hù)需求，Wu 等[12]基于數(shù)值計(jì)算及水平?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)裝置研究了鋁蜂窩夾芯板在冰楔沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和能量吸收特性(沖擊速度分別為 2.06 m/s、3.01 m/s 和3.35 m/s)，發(fā)現(xiàn)冰的沖擊能量主要轉(zhuǎn)化為鋁蜂窩夾芯板的塑性變形能和冰楔的回彈動(dòng)能以及冰楔的斷裂能。Wang 等[13]根據(jù)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在低速斜向沖擊下的變形和能量吸收特性(沖擊速度為5.05 m/s)，提出了兩個(gè)用于評(píng)價(jià)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在低速斜向沖擊下耐撞性的無量綱指標(biāo)，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的指標(biāo)可以很好地反映夾芯結(jié)構(gòu)在低速斜向沖擊下的耐撞性，新指標(biāo)發(fā)現(xiàn)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的斜向耐撞性依次降低。Zhang 等[14]對(duì)通擺錘沖擊和數(shù)值模擬研究了鋁合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊下的力學(xué)行為(沖擊速度為5.05 m/s)，發(fā)現(xiàn)蜂窩芯在能量吸收中起主導(dǎo)作用，蜂窩夾芯板吸收的能量大部分以塑性耗散的形式消耗，其余則轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能。Sun 等[15]開展了不同面板厚度、夾芯高度、厚度和六邊形單元邊長(zhǎng)的蜂窩芯鋁夾芯板沖擊特性研究(沖擊速度為 2.00 m/s)，通過數(shù)字圖像相關(guān) (DIC)技術(shù)獲得了面板實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)面板厚度對(duì)力-位移曲線和能量吸收能力的影響最為顯著。 Zhang 等[16]研究了鋁蜂窩夾芯板在反復(fù)沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和能量吸收特性(沖擊速度為 3.53 m/s)，發(fā)現(xiàn)鋁蜂窩夾芯板在多次沖擊載荷下吸能性能可以通過蜂窩單元的壁厚和長(zhǎng)度以及面板厚度進(jìn)行有效調(diào)控。

在泡沫夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能研究方面，Huang 等[17]開展了波紋和平面聚氨酯泡沫夾芯結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究(沖擊速度分別為5.69 m/s、6.58 m/s 和8.05 m/s)，發(fā)現(xiàn)在沖擊載荷下其主要失效模式為泡沫開裂、纖維分層、纖維與泡沫之間的脫粘以及少量纖維剪切失效，波紋泡沫夾芯結(jié)構(gòu)比平面泡沫夾芯結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的沖擊吸能特性。Huang 等[18]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了水下沖擊載荷下聚氨酯泡沫夾芯點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的能量吸收和動(dòng)態(tài)破壞機(jī)制(沖擊速度為85.3~104.4 m/s)，研究結(jié)果表明，有泡沫夾芯和無泡沫夾芯點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的能量吸收能力提升了近6 倍，泡沫夾芯通過載荷分散、破碎和開裂等機(jī)制，使結(jié)構(gòu)在抗變形和完整性方面得到提升。Mohammadkhani 等[19]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究了鋼絲增強(qiáng)聚氨酯泡沫夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性(沖擊速度為2.64 m/s)，研究發(fā)現(xiàn)鋼絲“星形布局”可以實(shí)現(xiàn)在只增加原夾芯結(jié)構(gòu)10%質(zhì)量的前提下，提高結(jié)構(gòu)能量吸收性能2 倍以上。Zhu 等[20]采用理論分析和落錘沖擊試驗(yàn)的方法研究了多層鋁泡沫芯結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊響應(yīng)(沖擊速度為 4.50 m/s)，建立了一個(gè)基于能量的多層夾芯板沖擊響應(yīng)分析模型，與單層夾芯板相比，相同質(zhì)量的多層夾芯板能夠減少15%以上的峰值碰撞力，提高15.5%的碰撞力效率，表現(xiàn)出良好的抗沖擊性。 Zhu 等[21]通過落錘裝置研究了泡沫鋁夾芯板在室溫和低溫下的沖擊吸能特性(沖擊速度分別為 3.00 m/s、4.00 m/s、4.23 m/s、5.19 m/s、5.47 m/s、5.99 m/s 和6.70 m/s)，測(cè)試結(jié)果表明隨著沖擊能量的增加，溫度效應(yīng)對(duì)泡沫鋁夾芯板的動(dòng)力學(xué)行為影響逐漸增強(qiáng)。Guo 等[22]通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法(沖擊速度為3.67 m/s)，研究了泡沫鋁夾芯板在反復(fù)沖擊下的能量吸收機(jī)制，結(jié)果表明，泡沫鋁夾芯板的彈性變形能隨著沖擊次數(shù)的增加而增加，前面板吸收的能量隨著前面板厚度的增加而增加。

綜上所述，當(dāng)前夾芯材料多為蜂窩鋁、泡沫鋁、聚氨酯泡沫等傳統(tǒng)材料，且對(duì)于夾芯結(jié)構(gòu)的沖擊特性研究大多集中于低速?zèng)_擊，采用的落錘系統(tǒng)沖擊速度一般低于10 m/s(36 km/h)，而現(xiàn)實(shí)中的裝甲車、艦船等武器裝備常規(guī)運(yùn)行速度遠(yuǎn)高于 10 m/s。

本文考慮氣凝膠應(yīng)力波傳播速度低、沖擊吸能大的優(yōu)良特性[23-24]，提出了一種氣凝膠夾芯沖擊吸能結(jié)構(gòu)，采用一級(jí)輕氣炮系統(tǒng)，結(jié)合高速攝像及DIC 技術(shù)，研究了3 種較高沖擊速度下(10.4 m/s、15.4 m/s、19.0 m/s)，氣凝膠夾芯層厚度對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)沖擊吸能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制作

氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)制作如圖1所示，SiO2氣凝膠顆粒(泛銳熠輝復(fù)合材料有限公司產(chǎn))被裝入PC盒中(上海臣創(chuàng)塑膠科技有限公司產(chǎn))，PC盒厚度T= 30.0 mm，長(zhǎng)度L=300.0 mm，寬度H=250.0 mm，夾芯結(jié)構(gòu)上面板與下面板厚度TP相同，本文中分別采用TP取值為2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、 5.0 mm、6.0 mm、8.0 mm、10.0 mm，對(duì)應(yīng)的氣凝膠夾層厚度Ta=26.0 mm、24.0 mm、22.0 mm、 20.0 mm、18.0 mm、14.0 mm、10.0 mm。

圖1 氣凝膠夾芯板結(jié)構(gòu)尺寸Fig. 1 Dimensions of the aerogel sandwich structure

1.2 實(shí)驗(yàn)布置

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2 所示，沖擊加載裝置為山東大學(xué)多場(chǎng)耦合瞬態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室的“多用途沖擊炮”，彈丸材料為聚乙烯(PE)，直徑90.0 mm，長(zhǎng)度135.0 mm，質(zhì)量757.5 g。通過控制彈丸加速段長(zhǎng)度，獲得了穩(wěn)定的 3 種加載速度，分別為 10.4 m/s、15.4 m/s、19.0 m/s，對(duì)應(yīng)加載能量分別為40.97 J、89.82 J、136.73 J。氣凝膠夾芯板固定在炮口處，通過力傳感器測(cè)量沖擊力變化(型號(hào)揚(yáng)州科動(dòng) KD3050，測(cè)量范圍 0~500 kN，靈敏度 2.03 PC/N)，力傳感器采集的沖擊信號(hào)經(jīng)過電荷放大器處理為電壓信號(hào)(型號(hào)Kistler 5018)，最后通過數(shù)據(jù)采集儀獲得沖擊力時(shí)間歷程數(shù)據(jù)(型號(hào)Kistler TraNET 408DP)。結(jié)合高速錄像(型號(hào) Photron FASTCAM SA-Z)與DIC 技術(shù)獲得彈丸沖擊過程的實(shí)時(shí)速度及位移數(shù)據(jù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置Fig. 2 Experimental set-up

2 沖擊性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

合理的沖擊性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于碰撞防護(hù)研究非常重要，在高速?zèng)_擊過程中，通常期望結(jié)構(gòu)吸收盡量多的沖擊能量，同時(shí)產(chǎn)生較小的峰值碰撞力，以減小對(duì)人員或設(shè)備的損傷[25]。因此，在本文研究中，采用比能量吸收S、峰值碰撞力p和碰撞力效率C共3 個(gè)指標(biāo)研究氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性。

2.1 比能量吸收

考慮到各類裝備輕量化需求，能夠評(píng)估結(jié)構(gòu)沖擊過程中單位質(zhì)量能量吸收的指標(biāo)比能量吸收S被采用，其定義為總能量吸收和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的比值：

式中：m為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量；EA(Energy Absorption)為沖擊過程中總的能量吸收，通過結(jié)構(gòu)沖擊過程中力-位移曲線積分求解：

d為總的壓垮距離(即前面板最大位移)，F(xiàn)(x)為壓垮距離為x時(shí)的瞬時(shí)壓垮力。

2.2 峰值碰撞力

峰值碰撞力p為結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊過程中的最大瞬時(shí)力。較大的瞬時(shí)碰撞力會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)加速度，而較大的瞬時(shí)加速度容易使得被保護(hù)的裝置或人員受到傷害，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該將峰值碰撞力控制在安全范圍內(nèi)。

2.3 碰撞力效率

碰撞力效率C實(shí)際上是防護(hù)結(jié)構(gòu)抗撞擊力的均勻化水平和能力，是評(píng)估整個(gè)碰撞過程中防護(hù)結(jié)構(gòu)壓垮力穩(wěn)定性的指標(biāo)，較高的碰撞力效率表示沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的承載穩(wěn)定性，理想的C值為1。碰撞力效率定義式為平均碰撞力MCF與峰值碰撞力的比值：

式中：MCF(Mean Crushing Force)通過下式求解：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 10.0 mm 厚氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性

沖擊速度分別為10.4 m/s、15.4 m/s、19.0 m/s下，氣凝膠夾芯層厚為10.0 mm 的防護(hù)結(jié)構(gòu)力-位移曲線如圖3 所示。氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊載荷下常見的初始峰值力IPF現(xiàn)象。在氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)受沖擊載荷產(chǎn)生壓縮位移的初始階段，其力-位移曲線近似線彈性，隨著壓垮距離增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮力載荷波動(dòng)增加，對(duì)于本文中研究的3 種沖擊速度，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的峰值碰撞力p均出現(xiàn)在壓垮終止階段。隨著沖擊速度的增大，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)峰值碰撞力、壓垮距離、比吸能、平均碰撞力均逐漸增大，當(dāng)沖擊速度v3=19.0 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的峰值碰撞力為22.8 kN(較v1=10.4 m/s 沖擊條件下提高了136.2%，較v2=15.4 m/s 沖擊條件下提高了56.2%)，壓垮距離為7.3 mm(小于氣凝膠夾芯層厚度10.0 mm，較v1=10.4 m/s 沖 擊 條 件 下 提 高 了 23.2% ，較v2=15.4 m/s 沖擊條件下提高了 10.6%)，比吸能 48.8 J/kg(較v1=10.4 m/s 沖擊條件下提高了203.0%，較v2=15.4 m/s 沖擊條件下提高了 70.0%)，平均碰撞力為12.9 kN(較v1=10.4 m/s 沖擊條件下提高了144.9%)。由于隨著碰撞速度的增加，平均碰撞力與峰值碰撞力增幅相近，碰撞速度變化對(duì)碰撞力效率影響較小，碰撞力效率基本維持在54.5%~56.6%(見表1)。

表1 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖擊性能指標(biāo) (Ta=10.0 mm)Table 1 Impact performance indicators of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=10.0 mm)

圖3 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖力位移曲線 (Ta=10.0 mm)Fig. 3 Force-displacement curves of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=10.0 mm)

3.2 14.0 mm 厚氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性

氣凝膠夾芯層厚度為14.0 mm 的氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)在不同沖擊速度下獲得的力-位移曲線如圖4 所示，隨著壓垮距離的增加，防護(hù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)依次呈現(xiàn)線彈性階段、波動(dòng)增加階段、峰值碰撞力階段。 3 種沖擊速度下，夾芯結(jié)構(gòu)壓垮距離均小于氣凝膠夾層厚度(14.0 mm)。當(dāng)沖擊速度為19.0 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)觀察到了初始峰值力現(xiàn)象(這主要是因?yàn)楫?dāng)氣凝膠夾芯層變厚、面板層變薄時(shí)，面板層強(qiáng)度降低，在沖擊作用下面板層快速彎曲，氣凝膠材料強(qiáng)度遠(yuǎn)低于面板材料，雖然位移增加而力卻下降，表現(xiàn)為初始峰值力現(xiàn)象)，且氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮距離與沖擊速度為15.4 m/s 時(shí)相近(氣凝膠夾芯層厚度為10.0 mm 時(shí)無此規(guī)律，主要是當(dāng)氣凝膠層較薄時(shí)，也就意味著面板層較厚，此時(shí)主要是面板層發(fā)揮沖擊防護(hù)作用，因此與后續(xù)氣凝膠夾芯發(fā)揮沖擊防護(hù)時(shí)表現(xiàn)的規(guī)律不一致)，分別為 9.6 mm 和9.2 mm，比沖擊速度為10.4 m/s 時(shí)氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮距離高40.1%。隨著沖擊速度的增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)峰值碰撞力、壓垮距離、比吸能、平均碰撞力均明顯逐漸增大，碰撞力效率則有小幅降低，沖擊速度為19.0 m/s 時(shí)碰撞力效率最低(見表2)。

表2 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖擊性能指標(biāo) (Ta=14.0 mm)Table 2 Impact performance indicators of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=14.0 mm)

圖4 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖力位移曲線 (Ta=14.0 mm)Fig. 4 Force-displacement curves for the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=14.0 mm)

3.3 18.0 mm 厚氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性

氣凝膠夾芯層厚度為18.0 mm 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)在不同沖擊速度下的力-位移曲線如圖5所示，與氣凝膠層厚度為14.0 mm 的夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性一致，隨著沖擊速度的增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)峰值碰撞力、壓垮距離、比吸能、平均碰撞力均逐漸增大，碰撞力效率則有小幅降低。當(dāng)沖擊速度為19.0 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的初始峰值力，而對(duì)于較低的沖擊速度(10.4 m/s 和15.4 m/s)則沒有初始峰值力現(xiàn)象。沖擊速度為15.4 m/s 和 19.0 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮距離相近，分別為11.8 mm 和12.1 mm，均小于氣凝膠夾層厚度(18.0 mm)。沖擊速度為10.4 m/s 和15.4 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的碰撞力效率相近，分別為66.7%和66.5%，沖擊速度為19.0 m/s 時(shí)碰撞力效率最低(見表3)。

表3 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖擊性能指標(biāo) (Ta=18.0 mm)Table 3 Impact performance indicators of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=18.0 mm)

圖5 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖力位移曲線 (Ta=18.0 mm)Fig. 5 Force-displacement curves of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=18.0 mm)

3.4 20.0mm 厚氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性

不同沖擊速度下，氣凝膠夾芯層厚度為20.0 mm的氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)力-位移曲線如圖6 所示，當(dāng)沖擊速度為15.4 m/s 和19.0 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的初始峰值力，而對(duì)于較低的沖擊速度(10.4 m/s)則沒有初始峰值力現(xiàn)象。沖擊速度為15.4 m/s 和 19.0 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮距離差別較小，沖擊速度為19.0 m/s 時(shí)氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮距離是沖擊速度為10.4 m/s 時(shí)的1.2 倍。隨著沖擊速度的增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)峰值碰撞力、壓垮距離、比吸能、平均碰撞力均明顯逐漸增大，沖擊速度為 19.0 m/s 時(shí)碰撞力效率最低(見表4)。

表4 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖擊性能指標(biāo) (Ta=20.0 mm)Table 4 Impact performance indicators of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=20.0 mm)

圖6 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖力位移曲線 (Ta=20.0 mm)Fig. 6 Force-displacement curves of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=20.0 mm)

3.5 22.0 mm 厚氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性

對(duì)于氣凝膠夾芯層厚度為22.0 mm 的氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)，同樣表現(xiàn)為當(dāng)沖擊速度較高時(shí)(15.4 m/s、19.0 m/s)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)具有初始峰值力，而沖擊速度較低時(shí)(10.4 m/s)則沒有明顯的初始峰值力(見圖7)。沖擊速度為15.4 m/s 和19.0 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮距離非常接近，分別為 14.7 mm 與 14.8 mm(小于氣凝膠夾芯層厚度 22.0 mm)，遠(yuǎn)大于沖擊速度為10.4 m/s 時(shí)氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮距離(11.9 mm)。隨著沖擊速度的增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)峰值碰撞力、壓垮距離、比吸能、平均碰撞力均逐漸增大，沖擊速度19.0 m/s 時(shí)的碰撞力效率較低，但其峰值碰撞力、壓垮距離、比吸能、平均碰撞力較沖擊速度10.4 m/s 時(shí)分別提高了169.6%、24.4%、156.0%和102.7%(見表5)。

圖7 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖力位移曲線 (Ta=22.0 mm)Fig. 7 Force-displacement curves of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=22.0 mm)

表5 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖擊性能指標(biāo) (Ta=22.0 mm)Table 5 Impact performance indicators of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=22.0 mm)

3.6 24.0 mm 厚氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性

與氣凝膠厚度為22.0 mm 時(shí)氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的沖擊吸能特性近似，當(dāng)沖擊速度為15.4 m/s 和 19.0 m/s 時(shí)，氣凝膠厚度為24.0 mm 的氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)具有初始峰值力，分別為3.7 kN 和4.2 kN，當(dāng)沖擊速度為10.4 m/s 時(shí)，沒有明顯的初始峰值力現(xiàn)象(見圖8)。隨著沖擊速度的增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)峰值碰撞力、壓垮距離、比吸能、平均碰撞力均逐漸增大。沖擊速度為19.0 m/s 時(shí)的壓垮距離與15.4 m/s 時(shí)差別較小，但較 10.4 m/s 時(shí)提高了14.7%。當(dāng)沖擊速度為10.4 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的碰撞力效率最高(見表6)。

圖8 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖力位移曲線 (Ta=24.0 mm)Fig. 8 Force-displacement curves of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=24.0 mm)

表6 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖擊性能指標(biāo) (Ta=24.0 mm)Table 6 Impact performance indicators of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=24.0 mm)

3.7 26.0 mm 厚氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性

氣凝膠夾芯層厚度為26.0 mm 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)在不同沖擊速度下的力-位移曲線如圖9 所示，沖擊速度為10.4 m/s 時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)依然沒有初始峰值力，同時(shí)在沖擊速度為15.4 m/s 時(shí)，普遍存在于氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)(Ta分別為20.0 mm、22.0 mm、24.0 mm)中的初始峰值力沒有出現(xiàn)。當(dāng)沖擊速度為19.0 m/s，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)具有初始峰值力，為4.3 kN。沖擊速度為15.4 m/s 和19.0 m/s時(shí)，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮距離相近，分別為 15.5 mm 和 15.8 mm，均明顯大于沖擊速度 10.4 m/s 時(shí)氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的壓垮距離。隨著沖擊速度的增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)峰值碰撞力、壓垮距離、比吸能、平均碰撞力均逐漸增大(見表7)。

圖9 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖力位移曲線 (Ta=26.0 mm)Fig. 9 Force-displacement curves of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=26.0 mm)

表7 不同沖擊速度下氣凝膠夾芯板沖擊性能指標(biāo) (Ta=26.0 mm)Table 7 Impact performance indicators of the aerogel sandwich structure under different impact speeds (Ta=26.0 mm)

3.8 氣凝膠夾芯厚度對(duì)結(jié)構(gòu)沖擊吸能的影響

圖10、圖11 和圖12 分別給出了3 種不同沖擊速度條件下，氣凝膠層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)比吸能、峰值碰撞力及碰撞力效率的影響。由圖10 可見，在沖擊速度相同的條件下，隨著氣凝膠層厚度的增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的比吸能逐漸增大。這主要是由于氣凝膠的密度非常小，增加氣凝膠層的厚度對(duì)氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響較小，而隨著氣凝膠層厚度的增加，夾芯結(jié)構(gòu)壓垮距離增加，引起沖擊過程中總的能量吸收增大，最終表現(xiàn)為比吸能隨著氣凝膠層厚度的增加逐漸增大。同時(shí)峰值碰撞力也基本呈下降趨勢(shì)，碰撞力效率無明顯變化規(guī)律，但總體隨氣凝膠層厚度變化波動(dòng)較小。由此可見，對(duì)于氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)，較大的氣凝膠層厚度，有利于結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性的提高，同時(shí)避免過大峰值碰撞力對(duì)防護(hù)人員或裝備的損傷。

圖10 比吸能隨氣凝膠夾芯層厚度變化Fig. 10 Variation ofSwith the thickness of the aerogel layer

圖11 峰值碰撞力隨氣凝膠夾芯層厚度變化Fig. 11 Variation ofpwith the thickness of the aerogel layer

圖12 碰撞力效率隨氣凝膠夾芯層厚度變化Fig. 12 Variation ofCwith the thickness of the aerogel layer

4 結(jié)論

本文基于氣凝膠應(yīng)力波傳播速度低、沖擊吸能大的優(yōu)良特性，提出了一種氣凝膠夾芯沖擊吸能結(jié)構(gòu)，采用一級(jí)輕氣炮系統(tǒng)，結(jié)合力傳感器、高速攝像及DIC 技術(shù)研究了10.4 m/s、15.4 m/s、19.0 m/s 共3 種較高沖擊速度下多種氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性。得到以下主要結(jié)論：

1)氣凝膠夾芯厚度為10.0 mm 時(shí)，3 種沖擊速度下夾芯結(jié)構(gòu)均沒有初始峰值力現(xiàn)象，當(dāng)氣凝膠夾芯厚度大于10.0 mm 時(shí)，在沖擊速度達(dá)到最大(19.0 m/s)時(shí)，夾芯結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了初始峰值力，沖擊速度最小(10.4 m/s)時(shí)，夾芯結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)初始峰值力。

2)對(duì)于本文研究的 7 種夾芯結(jié)構(gòu)(Ta= 26.0 mm、24.0 mm、22.0 mm、20.0 mm、 18.0 mm、14.0 mm、10.0 mm)，隨著沖擊速度的增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的峰值碰撞力、壓垮距離、比吸能、平均碰撞力均逐漸增大。

3)相同沖擊速度下，隨著氣凝膠層厚度的增加，氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)的比吸能逐漸增大，峰值碰撞力也基本呈下降趨勢(shì)，碰撞力效率隨氣凝膠層厚度變化總體波動(dòng)較小。因此，在研究范圍內(nèi)，較大的氣凝膠層厚度有利于結(jié)構(gòu)沖擊吸能特性的提高，同時(shí)避免過大峰值碰撞力對(duì)防護(hù)人員或裝備的損傷。

氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)作為一種優(yōu)異的輕質(zhì)沖擊吸能結(jié)構(gòu)，在后續(xù)工作中仍需在明確氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)沖擊吸能機(jī)理、提高結(jié)構(gòu)整體力學(xué)強(qiáng)度、改善氣凝膠力學(xué)性能、設(shè)計(jì)新型氣凝膠夾芯結(jié)構(gòu)等方面開展進(jìn)一步研究。