陳升輝, 郭彥峰, 付云崗, 馬小茭, 秦芳

(西安理工大學(xué) 包裝工程系，陜西 西安 710048)

0 引言

瓦楞(波紋)、蜂窩、泡沫所組成的層狀[1-2]、管狀[3-4]吸能構(gòu)件具有優(yōu)異的輕質(zhì)、抗沖擊和吸能特性，在交通運(yùn)輸、機(jī)械裝備、航空航天、武器裝備等民用和國(guó)防工業(yè)的沖擊防護(hù)領(lǐng)域具有極其重要的工程應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)研究潛力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多邊形管、多胞管、蜂窩和泡沫材料填充管的軸向壓縮變形模式和能量吸收問(wèn)題的研究成果豐富發(fā)展了傳統(tǒng)薄壁管和填充管的緩沖吸能理論體系[4]，而波紋管(或瓦楞管)為增強(qiáng)傳統(tǒng)薄壁管的耐撞性能提供了一種新思路[3]。這種新型的管狀結(jié)構(gòu)利用瓦楞管壁的波峰/波谷對(duì)塑性鉸的激發(fā)優(yōu)勢(shì)和更易彎折的變形誘導(dǎo)作用，有益于提高軸向壓潰變形與吸能的平穩(wěn)性和可控性，而且，波紋管壁、波紋管橫截面的多胞化也是增強(qiáng)傳統(tǒng)薄壁管的軸向抗沖擊性能和吸能效果的有效方式。對(duì)縱向U 形瓦楞鋼圓管[5]、縱向正弦波形瓦楞鋁圓管[6-7]、多胞縱向余弦波形瓦楞鋁圓管和仿生瓦楞管[8-9]、橫向波紋鋁三角形/方/圓管及多胞管[10-11]的軸向靜態(tài)壓縮與吸能的研究成果發(fā)展和豐富了波紋管在軸向載荷作用下變形吸能的關(guān)鍵理論與實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)。

此外，學(xué)者們還采用夾層管壁、鋁泡沫和聚合物泡沫填充等新構(gòu)型以提高瓦楞管的抗沖擊性能，深入研究了縱向/橫向梯形波形瓦楞夾層碳纖維復(fù)合材料圓管[12]、包含四/六/八/十個(gè)橫向正弦波形的瓦楞夾層圓管[13]、聚甲基丙烯酰亞胺泡沫填充橫向三角波形瓦楞夾層鋁圓柱殼壁[14]、鋁泡沫填充縱向正弦波形瓦楞鋁圓管[15]、碳纖維復(fù)合材料圓管[16]在軸向壓縮條件的變形模式和吸能特性，豐富和發(fā)展了波紋管吸能理論與設(shè)計(jì)方法，為進(jìn)一步拓展新型管狀吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多學(xué)科優(yōu)化提供理論依據(jù)。目前，吸能構(gòu)件的沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題，Hao 等[6]、Deng 等[13]、 Gan 等[17]、Goyal 等[18]、Zhang 等[19]、Wang 等[20]分別研究了在不同沖擊條件下不同材料和結(jié)構(gòu)形式的新型管狀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，分析了軸向沖擊參數(shù)對(duì)耐撞性能的影響規(guī)律。而紙管和紙瓦楞夾層管也為耐碰撞問(wèn)題提供了一種新思路，Czechowski 等[21]研究了不同半徑、壁厚的紙圓管的側(cè)向靜態(tài)壓縮性能，采用各向異性Hill 準(zhǔn)則分析了紙管的漸進(jìn)失效特性，Kang 等[22]、Guo 等[23]、韋青等[24]、韓旭香等[25-26]分別研究了軸向靜態(tài)、跌落沖擊動(dòng)態(tài)壓縮條件下正四/五/六邊形紙瓦楞管、聚乙烯泡沫單填充紙蜂窩管和紙瓦楞管的變形模式和緩沖吸能特性。

鑒于波紋夾層管及其泡沫填充管狀結(jié)構(gòu)方面的研究啟發(fā)，本文充分利用紙瓦楞和聚合物泡沫的抗沖擊性能優(yōu)勢(shì)，提出了由閉孔聚乙烯泡沫對(duì)紙瓦楞夾層雙管的雙填充構(gòu)型，即一種橫截面為正五/六邊形的四層復(fù)合材料管，并重點(diǎn)研究其在軸向跌落沖擊載荷作用下的耐撞性能，比較分析結(jié)構(gòu)參數(shù)、跌落沖擊參數(shù)對(duì)變形特征和吸能特性的影響，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供理論參考。

1 試樣結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

本文研究的4 層復(fù)合材料管的試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由內(nèi)外兩個(gè)紙瓦楞夾層管和相應(yīng)的兩個(gè)閉孔聚乙烯泡沫層組成的雙填充雙管，管的橫截面是正五和六邊形。紙瓦楞夾層管都是BC 型瓦楞紙板通過(guò)模切、壓痕、折疊和白乳膠全搭接粘合而成。BC 型瓦楞紙板是由三層面紙和兩層波浪形的芯層粘合而成的，如圖1(e)所示?？紤]紙瓦楞芯層的波紋方向，將紙瓦楞夾層管分為X軸方向瓦楞管(管的軸向與紙板的波紋方向平行)、Y軸方向瓦楞管(管的軸向與紙板的波紋方向垂直)兩種。閉孔聚乙烯泡沫(EPE)被切割制作成正多邊形管狀填充層和填充芯管。泡沫密度16.41 kg/m3，瓦楞面紙的定量180 g/m2、厚度0.26 mm，瓦楞芯紙的定量140 g/m2、厚度 0.24 mm，瓦楞紙板的厚度 7.0 mm、邊壓強(qiáng)度6 770 N/m。這種吸能構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和跌落沖擊參數(shù)如表1 所示，由3 種跌落高度和4 種落錘質(zhì)量組合設(shè)計(jì)12 種沖擊條件，每組試驗(yàn)有5 個(gè)試件，管長(zhǎng)比是管的長(zhǎng)度與橫截面的邊長(zhǎng)之比。參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4857.2 “包裝運(yùn)輸包裝件溫濕度調(diào)節(jié)處理”，試驗(yàn)之前對(duì)所有試樣在環(huán)境溫度20 ℃、相對(duì)濕度65%條件下靜態(tài)放置24 h。軸向跌落沖擊試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8167 包裝用緩沖材料動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)方法 ，選用圖2 所示DY-3跌落沖擊試驗(yàn)機(jī)，利用方形沖擊塊對(duì)試樣橫截面施加面跌落沖擊載荷，系統(tǒng)記錄沖擊加速度時(shí)程曲線和位移-時(shí)間曲線，拍攝試樣的最終變形圖。

圖2 跌落沖擊試驗(yàn)機(jī)Fig. 2 Drop impact tester

表1 試樣結(jié)構(gòu)和跌落沖擊參數(shù)Table 1 Structual parameters of each sample and drop impact

圖1 試樣結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagrams of the samples

2 填充管的變形模式

管狀吸能構(gòu)件的變形模式是研究能量吸收特性的關(guān)鍵基礎(chǔ)，需要探究典型微單元的變形模式或折疊類(lèi)型，明確整體結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理。瓦楞紙管在軸向沖擊載荷作用下，先發(fā)生短暫的彈性變形后開(kāi)始屈曲，由于X軸方向、Y軸方向瓦楞夾層管的波紋方向與管軸向平行或垂直，導(dǎo)致不同的變形模式。例如，X軸方向瓦楞夾層管主要發(fā)生手風(fēng)琴變形模式，以保證其優(yōu)良的緩沖性能吸能特性，而Y軸方向瓦楞管以穩(wěn)態(tài)漸進(jìn)屈曲為主，比X軸方向瓦楞管的變形模式更穩(wěn)定，抗沖擊性能更強(qiáng)[22-23]。圖3 所示為聚乙烯泡沫雙填充的X軸方向、Y軸方向紙瓦楞夾層雙管的軸向跌落沖擊壓縮變形曲線，從原點(diǎn)到第1 個(gè)峰值應(yīng)力之間為線彈性區(qū)，最后一個(gè)峰值應(yīng)力之前的一個(gè)波段可視為密實(shí)化區(qū)，中間階段是塑性平臺(tái)區(qū)，以聚乙烯泡沫雙填充的管長(zhǎng)比為2.2的正五邊形X軸方向紙瓦楞夾層雙管在跌落高度50 cm、重錘質(zhì)量14.55 kg 條件下(編號(hào)CT5X-2.2-DD-50/14.55)壓縮變形曲線為例，A段為線彈性區(qū)，B段為塑性平臺(tái)區(qū)，C段為密實(shí)化區(qū)，隨后落錘的速度降至近乎靜態(tài)而試樣出現(xiàn)快速卸載。X軸方向瓦楞夾層管的塑性平臺(tái)區(qū)明顯大于Y軸方向瓦楞管，曲線波峰較多且幅度較小，表明瓦楞波峰、波谷易形成塑性鉸，使得整體結(jié)構(gòu)沿管的軸向更易彎折而產(chǎn)生的周期性折疊單元，變形模式更穩(wěn)定，緩沖吸能和抗沖擊性能優(yōu)于Y軸方向瓦楞管。對(duì)比空管、單填充管、雙填充管3 種結(jié)構(gòu)形式，在跌落沖擊能量大的情況下，空管會(huì)發(fā)生失穩(wěn)和管壁撕裂現(xiàn)象，從而降低緩沖吸能和承載能力。由于聚乙烯泡沫層和紙夾層管壁的相互擠壓效應(yīng)，增強(qiáng)了瓦楞夾層管的承載能力和穩(wěn)定性，導(dǎo)致填充管不再發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象。但是，在跌落沖擊能量大、管長(zhǎng)比較小情況下，紙瓦楞夾層管將發(fā)生邊角撕裂的情況，如圖4 所示。雙填充管的兩個(gè)泡沫層和夾層管壁的相互作用使得整體穩(wěn)定性最好，雙填充X軸方向雙管的瓦楞被逐層壓潰而形成周期性的變形單元，進(jìn)而發(fā)生完整的塑性變形，而雙填充Y軸方向雙管的瓦楞芯層和面紙易發(fā)生分離現(xiàn)象，夾層管壁的面紙易形成致密的褶皺。

圖3 壓縮變形曲線對(duì)比Fig. 3 Comparison of compression deformation curves

圖4 外管壁的壓縮變形模式對(duì)比Fig. 4 Comparison of compression deformation patterns of different outer tube walls

圖5 為聚乙烯泡沫3 種不同填充形式的紙瓦楞夾層管在跌落沖擊條件DH2W3(跌落高度50 cm、落錘質(zhì)量11.275 kg)的動(dòng)態(tài)壓縮變形曲線，ET、SF、DS、DD 分別表示空管、單填充管、單填充雙 管、雙填充雙管。單填充X軸方向管的初始峰值應(yīng)力最大，單填充Y軸方向雙管的初始峰值應(yīng)力最大。紙瓦楞空管是由紙瓦楞管壁單獨(dú)支撐軸向跌落沖擊載荷作用，其壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線的波峰個(gè)數(shù)多，塑性平臺(tái)區(qū)間長(zhǎng)。而填充管是依靠紙瓦楞管壁和聚乙烯泡沫共同承受軸向跌落沖擊載荷作用，夾層管壁與填充層之間的相互作用效應(yīng)復(fù)雜，并決定著管壁褶皺波長(zhǎng)和個(gè)數(shù)以及泡沫的擠壓方式。在跌落沖擊動(dòng)態(tài)壓縮的初始階段，由于紙瓦楞夾層管壁的剛度比聚乙烯泡沫大，管壁先發(fā)生彈性屈曲，隨著其所承受的應(yīng)力達(dá)到初始峰值而進(jìn)入塑性平臺(tái)區(qū)，在動(dòng)態(tài)壓縮變形曲線上逐漸產(chǎn)生多個(gè)波峰，這是因?yàn)榫垡蚁┡菽蛫A層管壁之間的相互擠壓作用力抵抗減弱了管壁的坍塌屈曲，并通過(guò)泡沫層的壓縮變形而耗散落錘的沖擊動(dòng)能，而且跌落沖擊載荷幅值是決定結(jié)構(gòu)壓潰之后密實(shí)化程度的主要影響 因素。

圖5 不同填充形式紙瓦楞管的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較Fig. 5 Comparison of stress and strain curves of paper corrugation sandwich tubes with different fillings

3 填充管的抗沖擊性能

在受到軸向跌落沖擊的載荷作用下，紙瓦楞管壁與聚乙烯泡沫層同時(shí)產(chǎn)生機(jī)械變形而抵抗沖擊。依據(jù)余同希等[27]對(duì)慣性敏感能量吸收結(jié)構(gòu)的研究成果，填充管的慣性敏感性反映落錘在碰撞雙填充管前所具有的初始動(dòng)能與碰撞后瞬間系統(tǒng)動(dòng)能之比，它與初始折角θ、落錘與夾層管壁的質(zhì)量之比有關(guān)，雙填充X軸方向瓦楞夾層管的慣性敏感性相對(duì)較高。在跌落沖擊條件相同時(shí)，雙填充X軸方向瓦楞夾層管的峰值加速度遠(yuǎn)小于Y軸方向瓦楞管，表現(xiàn)出更好的抗沖擊性能和緩沖吸能特性。表2 為在6 種跌落沖擊條件下不同管長(zhǎng)比的雙填充正五、六邊形瓦楞夾層管的峰值加速度和沖擊持續(xù)時(shí)間結(jié)果。在相同的落錘和跌落高度條件下，雙填充正六邊形瓦楞夾層管的峰值加速度高于對(duì)應(yīng)的正五邊管，雙填充X軸方向瓦楞夾層管的峰值加速度遠(yuǎn)小于雙填充Y軸方向瓦楞管，但其持續(xù)沖擊時(shí)間比雙填充Y軸方向瓦楞管長(zhǎng)。例如，管長(zhǎng)比為3.0 的雙填充Y軸方向瓦楞夾層管的峰值加速度是對(duì)應(yīng)的X軸方向瓦楞管的3.0 倍左右，而雙填充X軸方向管的持續(xù)沖擊時(shí)間是雙填充Y軸方向管的2.5 倍左右。在沖擊能量相同的情況下，利用紙瓦楞、聚乙烯泡沫的彈塑性甚至黏彈塑性的耗能機(jī)制，雙填充X軸方向瓦楞夾層管的沖擊持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，反作用力就更小，滿足“以時(shí)間換距離”的原則來(lái)降低平均壓縮力，且具有優(yōu)良的跌落沖擊緩沖性能。

表2 跌落沖擊響應(yīng)結(jié)果Table 2 Responses to different drop impacts

4 緩沖吸能特性影響分析

耐撞性是指結(jié)構(gòu)在可能發(fā)生的碰撞事故或沖擊事件中能夠保護(hù)其中的裝載物以及乘客的能力，能量吸收是耐撞性能的核心問(wèn)題。本文選用總吸能E、比吸能SEA、單位體積吸能e、比總體效率STE作為吸能評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用初始峰值應(yīng)力σmax、平均壓潰應(yīng)力σm、壓縮力效率CFE作為抗沖擊性能評(píng)價(jià)參數(shù)。比總體效率STE(specific total efficiency)是指單位管長(zhǎng)度的比吸能與初始峰值載荷Fmax的比值，而壓縮力效率CFE(crush force efficiency)描述平均壓潰載荷Fm與初始峰值載荷Fmax的比值。

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

4.1.1 管方向的影響

圖6 為管長(zhǎng)比為2.2 的聚乙烯泡沫雙填充的正五邊形紙瓦楞夾層雙管的緩沖吸能對(duì)比，性能評(píng)價(jià)參數(shù)如表3 所示。在沖擊能量相同的情況下，雙填充X軸方向雙管的總吸能、比吸能和單位體積吸能均高于對(duì)應(yīng)的Y軸方向雙管，而雙填充Y軸方向雙管的壓縮力效率更接近于理想值“1”。雙填充X軸方向雙管的比總體效率是對(duì)應(yīng)的Y軸方向雙管的3 倍左右，而雙填充Y軸方向雙管的初始峰值應(yīng)力明顯高于對(duì)應(yīng)的X軸方向雙管。由于雙填充Y軸方向雙管的軸向沖擊載荷作用平行于瓦楞夾芯層，瓦楞芯層和面層會(huì)產(chǎn)生較大阻力以抵抗沖擊能量的壓潰作用，而雙填充X軸方向雙管的軸向沖擊載荷作用是垂直于瓦楞芯層，其抵抗作用較小，芯紙和面紙屈曲會(huì)形成周期性折疊單元，故雙填充X軸方向雙管的緩沖吸能效果優(yōu)于對(duì)應(yīng)的Y軸方向雙管，而雙填充Y軸方向雙管的壓縮應(yīng)力高于相應(yīng)的雙填充X軸方向雙管。例如，對(duì)于跌落沖擊條件DH3W4(跌落高度70 cm、落錘質(zhì)量14.55 kg)，管長(zhǎng)比為3.0 的雙填充正五邊形X軸方向瓦楞夾層雙管的總吸能、比吸能分別比對(duì)應(yīng)的Y軸方向雙管分別提高了24.89%和23.51%，而雙填充Y軸方向雙管的初始峰值應(yīng)力、平均壓潰應(yīng)力分別是雙填充X軸方向雙管的1.68 倍和2.86 倍。

表3 不同管方向的緩沖吸能特性比較Table 3 Comparison of energy absorption characteristics ofX-direction andY-direction tubes

圖6 雙填充正五邊形瓦楞管的緩沖吸能特性比較Fig. 6 Comparison of energy absorption capabilities of regular pentagon tubes

4.1.2 管橫截面形狀的影響

采用分解法將正五、六邊形紙瓦楞夾層管沿其角分解成5 個(gè)或6 個(gè)L 型結(jié)構(gòu)單元，其角單元的夾角分別是 108°、 120°，借鑒 Wierzbicki 與Abramowicz 提出的基本折疊單元法分析角單元的非延展型折疊模式[28]，進(jìn)而研究整體結(jié)構(gòu)的變形模式和吸能特性。表 4 為在跌落沖擊條件DH3W3(跌落高度70 cm、落錘質(zhì)量11.275 kg)下，管長(zhǎng)比為2.2 的聚乙烯泡沫雙填充的X軸、Y軸方向紙瓦楞夾層雙管的緩沖吸能評(píng)價(jià)參數(shù)。在相同的沖擊能量條件下，雙填充正五邊形瓦楞雙管的比吸能、單位體積吸能、比總體效率、平均壓潰應(yīng)力都高于對(duì)應(yīng)的正六邊形管，如圖7 所示。這是因?yàn)殡S著管橫截面邊長(zhǎng)的增加，雙填充管的承載面積增大，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量也增加，這不僅降低了瓦楞管的屈服應(yīng)力，也導(dǎo)致了比吸能下降。管長(zhǎng)比為2.2 的雙填充X軸方向正五邊形瓦楞夾層雙管的總吸能、比吸能分別比對(duì)應(yīng)的正六邊形管分別提高了4.8%、34.5%，而管長(zhǎng)比為2.2 的雙填充Y軸方向正五邊形瓦楞夾層雙管的比吸能相比對(duì)應(yīng)的正六邊形管提高了11.2%。此外，雙填充正五邊形管的初始峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力都高于對(duì)應(yīng)的雙填充正六邊形管，而且壓縮力效率更接近于理想值“1”。

表4 不同管橫截面形狀的緩沖吸能特性對(duì)比Table 4 Comparison of energy characteristics of tubes with different cross-section shapes

圖7 不同管橫截面形狀的緩沖吸能特性比較Fig. 7 Comparison of energy absorption capabilities of tubes with different cross-section shapes

4.1.3 管長(zhǎng)比的影響

表5 為不同管長(zhǎng)比對(duì)聚乙烯泡沫雙填充的X軸方向、Y軸方向正五邊形紙瓦楞夾層雙管在跌落沖擊條件DH3W4(跌落高度70 cm、落錘質(zhì)量14.55 kg)和DH2W4(跌落高度50 cm、落錘質(zhì)量14.55 kg)下緩沖吸能評(píng)價(jià)參數(shù)的影響對(duì)比結(jié)果。圖8為不同管長(zhǎng)比的雙填充雙管在跌落沖擊條件DH3W4條件下的緩沖吸能特性對(duì)比。隨著管長(zhǎng)比的增加，雙填充雙管的總吸能逐漸增加，而比吸能、比總體效率都逐漸下降。在相同的跌落沖擊條件下，雙填充雙管的有效承載面積不變，隨著管長(zhǎng)度增加，管的體積和質(zhì)量增加，導(dǎo)致比吸能下降。例如，管長(zhǎng)比為1.4 的雙填充X軸方向雙管的比吸能比管長(zhǎng)比為2.2 和3.0 的雙填充雙管增加了16.8%和54.7%。管長(zhǎng)比為2.2 的雙填充雙管的初始峰值應(yīng)力高于管長(zhǎng)比為1.4 和3.0 的雙填充雙管，抗沖擊性能更好。管長(zhǎng)比為1.4、2.2 和3.0 的雙填充雙管的平均壓潰應(yīng)力依次減小，管長(zhǎng)比為3.0 的雙填充Y軸方向雙管的壓縮力效率更接近于理想值“1”。

圖8 不同管長(zhǎng)比的緩沖吸能特性對(duì)比Fig. 8 Comparison of energy absorption of tubes with different tube length ratios

表5 不同管長(zhǎng)比的緩沖吸能特性比較Table 5 Comparison of energy absorption of tubes with different tube length ratios

4.2 沖擊能量的影響

隨著跌落沖擊能量的增加，聚乙烯泡沫雙填充的紙瓦楞夾層雙管所吸收的沖擊能量更多，緩沖吸能特性逐漸增強(qiáng)。圖9 為6 種跌落沖擊條件和能量44.7 J(DH2W2，50 cm、9.125 kg)、55.2 J(DH2W3，50 cm、11.275 kg)、62.6 J(DH3W2，70 cm、 9.125 kg)、71.3 J(DH2W4，50 cm、14.55 kg)、 77.3 J(DH3W3，70 cm 、 11.275 kg) 、 99.8 J (DH3W4，70 cm、14.55 kg)下，雙填充雙管的緩沖吸能特性對(duì)比。隨著沖擊能量的增加，總吸能和比吸能總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，沖擊能量為 99.8 J 時(shí)比沖擊能量為77.3 J 時(shí)雙填充X軸方向雙管的總吸能、比吸能分別提高了 50.67%和50.69%，雙填充Y軸方向雙管的總吸能和比吸能分別提高了71.96%和71.98%。雙填充X軸方向雙管在沖擊能量為77.3 J 時(shí)壓縮力效率接近于理想值“1”，而雙填充Y軸方向雙管在沖擊能量為 55.2 J 時(shí)壓縮力效率接近于理想值“1”。

圖9 不同沖擊能量的緩沖吸能特性對(duì)比Fig. 9 Comparison of energy absorption of tubes under different drop impact energy levels

4.3 EPE 填充方式的影響

圖10 為3 種不同填充方式的緩沖吸能特性對(duì)比，空管的比吸能最高，塑性平臺(tái)區(qū)間長(zhǎng)，平均壓潰應(yīng)力小。由于在軸向跌落沖擊過(guò)程中應(yīng)力過(guò)大情況下空管會(huì)出現(xiàn)邊角撕裂現(xiàn)象，空管的緩沖吸能特性最好，但是抗沖擊性能最差。表6 為不同填充方式紙瓦楞夾層管的緩沖吸能評(píng)價(jià)參數(shù)，單填充管的總吸能、初始峰值應(yīng)力、平均壓縮應(yīng)力都是最小的，即吸能效果最差；單填充雙管的吸能特性較單填充管均有提升，而雙填充雙管的總吸能最高。例如，相比單填充X軸方向瓦楞夾層管，對(duì)應(yīng)的單填充雙管、雙填充雙管的總吸能分別增加了197.7%和250.9%；而相比單填充Y軸方向瓦楞夾層管，對(duì)應(yīng)的單填充雙管、雙填充雙管的總吸能分別增加了312.2%和344.6%。

表6 不同填充方式的跌落沖擊緩沖吸能特性比較Table 6 Comparison of energy absorption of tubes using different filling patterns

圖10 不同填充方式的比吸能比較Fig. 10 Comparison of energy absorption of tubes using different filling patterns

5 結(jié)論

1)在軸向跌落沖擊載荷作用下，雙填充X軸方向雙管的瓦楞被逐層壓潰而形成周期性的變形單元，進(jìn)而發(fā)生完整的塑性變形，而雙填充Y軸方向雙管的瓦楞芯層和面紙易發(fā)生分離現(xiàn)象，夾層管壁的面紙易形成致密的褶皺。

2)雙填充X軸方向雙管的塑性平臺(tái)區(qū)明顯長(zhǎng)于雙填充Y軸方向雙管，吸能效果更優(yōu)。隨著管橫截面邊數(shù)的增加，比吸能、單位體積吸能、比總體效率、平均壓潰應(yīng)力都下降。隨著落錘質(zhì)量的增加，雙填充雙管的總吸能、比吸能、單位體積吸能和比總體效率都遞增。

3)空管的緩沖吸能特性最好，但其抗沖擊性能最差。單填充管的總吸能、初始峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力都是最小的，吸能效果最差，雙填充雙管的總吸能最高。

4)在相同的跌落沖擊能量條件下，雙填充的正五邊形瓦楞雙管的比吸能、單位體積吸能、比總體效率、平均壓潰應(yīng)力都高于對(duì)應(yīng)的正六邊形管，且隨著沖擊能量的增加，雙填充雙管的總吸能和比吸能總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。