關(guān)鍵詞： 折疊結(jié)構(gòu)；覆層結(jié)構(gòu)；空氣炮沖擊；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；抗沖擊性能

中圖分類號： O389 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

爆炸荷載、沖擊荷載作用時(shí)間短、能量大，嚴(yán)重危害建筑主體結(jié)構(gòu)而造成經(jīng)濟(jì)損失和威脅生命安全。三明治結(jié)構(gòu)由于其突出的抗爆抗沖擊性能而引起廣泛關(guān)注。三明治結(jié)構(gòu)一般由上下面板和輕質(zhì)的芯層組成，根據(jù)防護(hù)性能和使用場景的要求，可替換蜂窩芯[1]、波紋芯[2]、折疊芯[3]、蛋殼芯[4]、格構(gòu)芯[5]等芯層以改善夾層板的防護(hù)性能[6]，隨著更多的研究和開發(fā)，芯層的種類也越來越多。

作為常見的多胞芯層，蜂窩通過側(cè)壁的多個(gè)連續(xù)塑性屈曲吸收能量，具有較高的平臺(tái)應(yīng)力和很高的峰值應(yīng)力[7]，前者有利于結(jié)構(gòu)在有限的防護(hù)厚度和壓潰位移下盡可能吸收能量，后者則會(huì)對被保護(hù)物在沖擊荷載發(fā)生的瞬間產(chǎn)生大的傳遞力，為解決這一問題，Townsend 等[8] 通過增材制造技術(shù)對多胞蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，引入折紙折疊，降低了峰值應(yīng)力并使其適用于重復(fù)沖擊。然而，隨著折疊數(shù)量的增加，應(yīng)力平臺(tái)期被縮短。作為蜂窩的替代，折疊芯具有較好的比剛度、比強(qiáng)度和吸能效果，最近被廣泛開發(fā)研究。Pydah 等[9] 研究了三浦夾層板在動(dòng)荷載下的彈塑性響應(yīng)，并將其與等面積密度的方形蜂窩進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在中等強(qiáng)度荷載下，三浦芯具有優(yōu)于蜂窩芯的能量耗散性能。Ma 等[10] 提出了一種棱錐折疊芯，并研究了折疊芯夾層結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和剪切作用下的能量吸收性能，結(jié)果表明，該折疊芯在壓縮方面優(yōu)于相同相對密度的蜂窩芯，峰值應(yīng)力明顯小于蜂窩芯，同時(shí)平均應(yīng)力比蜂窩芯增加73%。雖然折疊芯的研究起步較晚，但以上研究成果展示了折疊芯材具有充足的優(yōu)勢和潛力。折疊結(jié)構(gòu)的開發(fā)和優(yōu)化提高了其力學(xué)性能，并拓展了折疊結(jié)構(gòu)的用途。隨著對折疊結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究，折疊結(jié)構(gòu)的其他特性也被逐步發(fā)掘，如可控剛度[11]、多穩(wěn)態(tài)[12-13]、負(fù)泊松比[14] 等性能。

對于大多數(shù)三明治防護(hù)結(jié)構(gòu)，通常分為夾層和覆層防護(hù)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)著兩種固定方式以及防護(hù)作用。對于夾層結(jié)構(gòu)，通常用作防爆擋板、防爆門等[15]，在平面外荷載下，限制邊界的夾層板的力學(xué)響應(yīng)與工字梁相似[16]。對于覆層防護(hù)結(jié)構(gòu)，通常被安裝在所需保護(hù)結(jié)構(gòu)的表面，其主要通過芯層的壓潰和面板的變形有效降低沖擊力傳遞至所保護(hù)結(jié)構(gòu)，降低荷載對結(jié)構(gòu)的不利影響[17]，覆層結(jié)構(gòu)通常被設(shè)計(jì)作能量吸收裝置來降低爆炸沖擊波和碎片[18] 對建筑結(jié)構(gòu)、人員帶來的傷害。因此兩者有不同的響應(yīng)模式和評估參數(shù)。無論夾層還是覆層，除了芯層種類，結(jié)構(gòu)層數(shù)也顯著影響防護(hù)性能，如Hou 等[19] 的研究結(jié)果表明多層不同配置的波紋芯在降低峰值力和延長平臺(tái)階段方面顯示出明顯的優(yōu)勢。Ghate 等[20] 研究了多層鋁蜂窩芯夾層板的抗爆性能，與單層板相比，多層板由于中間板和多層芯層而顯著降低了單位質(zhì)量的撓度。然而，三明治防護(hù)結(jié)構(gòu)一般具有輕質(zhì)、高效的特性，增加層數(shù)帶來更好的性能的同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)厚度和質(zhì)量，因此有必要研究增加層數(shù)是否帶來更高的抗沖擊效率和吸能效率。

多折角梯形臺(tái)面折紙（truncated square pyramid ， TSP）是最近提出的折紙構(gòu)型，Li 等[21] 提出了不同的構(gòu)型和優(yōu)化，對不同基底尺寸、開放頂與封閉頂多折角梯形臺(tái)面折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮研究，發(fā)現(xiàn)折紙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的能量吸收性能，具有較大的密實(shí)化應(yīng)變、較小的初始峰值應(yīng)力以及對應(yīng)變率不敏感等優(yōu)勢。還對所開發(fā)的三角形、方形和五邊形折紙結(jié)構(gòu)作為核心的覆層進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓潰和動(dòng)態(tài)壓潰模擬研究，與Miura 型折疊芯相比，所提出的折紙結(jié)構(gòu)在初始峰值應(yīng)力、平均應(yīng)力方面都表現(xiàn)出更優(yōu)秀的性能，動(dòng)態(tài)壓潰下方形和五邊形折紙結(jié)構(gòu)的初始峰值應(yīng)力沒有明顯增加，而平均應(yīng)力顯著增加[22]。

此外，在TSP 覆層板的空氣炮沖擊試驗(yàn)中觀測到TSP 覆層在低于泡沫鋁覆層的密度下有著相當(dāng)?shù)目箟盒院土己玫目箾_擊性能[23]。因TSP 模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，與蜂窩和泡沫芯相比，更能適應(yīng)被保護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸而無需裁剪、切割。并且單元受螺栓約束，在局部沖擊破壞后，可單獨(dú)更換損壞的TSP 單元，其余的TSP 單元可以繼續(xù)保留，具有使用上的便捷性、經(jīng)濟(jì)性。為了驗(yàn)證單層TSP 結(jié)構(gòu)抗沖擊性能以及模塊化設(shè)計(jì)的工程防護(hù)效果，進(jìn)行了單層TSP 夾層板彈頭沖擊試驗(yàn)，通過對比在不同工況下夾層板背板中心點(diǎn)的位移時(shí)程，衡量單層TSP 三明治板作為夾層結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，在動(dòng)態(tài)載荷下，基于TSP 單層覆層，進(jìn)一步研究增加層數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響，提出雙層覆層結(jié)構(gòu)，研究在空氣炮沖擊荷載下覆層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過對比不同構(gòu)型在多種沖擊工況下覆層后不同位置所受傳遞力時(shí)程曲線及傳遞力分布，進(jìn)而評估多層TSP 作為覆層時(shí)的沖擊防護(hù)性能，為TSP 的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試件幾何參數(shù)及制備

1.1 TSP 單元幾何參數(shù)

TSP 單元的主要幾何參數(shù)為方形底面邊長a，方形頂面邊長b，單元高度H，其他幾何參數(shù)如c、l、γ、α、β、x 等均可根據(jù)a、b、H 表示的公式唯一確定[22]，如圖1 所示。本文中所使用的TSP 單元的參數(shù)如表1 所示。

1.2 TSP 單元的制備與固定

制備步驟如下，先將0.47mm 厚度的鋁板進(jìn)行激光切割，后借助金屬模具將激光切割好的鋁板壓制成TSP 單元，此處材料選擇延性較好的1060鋁，利用其塑性變形達(dá)到較好的抗沖擊和吸能效果。以往的TSP 單元使用外圍帶有2 mm 高邊界條帶的支撐底板進(jìn)行固定，這樣的固定邊界加工成本較高，為了降低成本與方便加工，使用一種M3螺絲排列形成的固定邊界以限制TSP 單元受壓時(shí)的平面內(nèi)滑移，其工作原理即用M3 螺絲固定于板上形成高3 mm 的固定邊界，從而約束TSP 單元的方形底面位移，并使用準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)的方法，研究螺絲個(gè)數(shù)、螺絲間距、螺絲位置等因素對TSP 單元抗壓性能的影響，并從十幾種排布方案中選出一種令TSP 單元抗壓性能較優(yōu)且使用螺絲數(shù)較少的M3 螺絲邊界的排布方案，M3 螺絲的具體排布如圖2所示。

1.3 單層及雙層TSP結(jié)構(gòu)試件

將TSP 單元進(jìn)行模塊化排布，制作出了單層TSP 結(jié)構(gòu)試件以及雙層TSP 結(jié)構(gòu)試件，如圖3 所示。單層TSP 結(jié)構(gòu)試件由前板、背板及TSP 芯層組成，前板和背板均為3 mm 厚的5083 鋁板，TSP 單元使用0.47 mm 厚的1060 鋁板制成，單層TSP 芯層共25 個(gè)TSP 單元。為連接固定前板和背板，采用4 組M6螺絲分別排布于試件4個(gè)邊角處的TSP 單元的中心位置。其中前板與背板質(zhì)量之和為3.62 kg，TSP 芯層質(zhì)量為0.43 kg，緊固件質(zhì)量為0.18 kg。單層TSP 結(jié)構(gòu)試件的整體尺寸為485 mm×485 mm×46 mm，其中TSP 芯層的尺寸為462 mm×462 mm×40 mm，前板尺寸為462 mm×462 mm×3 mm，前板長寬尺寸比背板長寬尺寸略小，此設(shè)計(jì)避免了夾層結(jié)構(gòu)承受軸向壓潰時(shí)前板可能與背板上的螺絲接觸從而影響TSP 芯層的變形模式及力學(xué)性能。

雙層TSP 結(jié)構(gòu)試件則是在單層TSP 結(jié)構(gòu)試件的基礎(chǔ)上增加了一層TSP 芯層以及加入了中間板，中間板尺寸為485 mm×485 mm×3 mm，雙層試件整體尺寸為485 mm×485 mm×89 mm，其中前板、中間板以及背板質(zhì)量之和為5.35 kg，TSP 芯層質(zhì)量之和為0.86 kg，緊固件共0.33 kg。

1.4 材料試驗(yàn)

為探究試驗(yàn)中試件采用的材料力學(xué)性能，對1060 鋁板及5083 鋁板進(jìn)行材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。由于1060 鋁對應(yīng)變率效應(yīng)不敏感，因此忽略該材料的應(yīng)變率效應(yīng)[24]。首先將上述材料加工成拉伸試驗(yàn)試件，再使用試驗(yàn)機(jī)于拉伸速度為 0.7 mm/min 的條件下對試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得出兩種材料的工程應(yīng)力與工程應(yīng)變的關(guān)系，后通過公式計(jì)算得出其真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變關(guān)系，如圖4 所示，兩種材料的密度、楊氏模量、厚度、屈服強(qiáng)度等參數(shù)如表2 所示。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

2.1 空氣炮彈丸沖擊試驗(yàn)裝置

使用空氣炮發(fā)彈系統(tǒng)發(fā)射彈頭沖擊TSP 結(jié)構(gòu)試件，并通過高速攝像機(jī)記錄彈丸沖擊的全過程，試驗(yàn)前先將試件固定于試驗(yàn)臺(tái)，如圖5 所示，試件使用方形夾緊板通過螺栓固定。該方形夾緊板其中心部有尺寸為395 mm×395 mm 的方形開口。試驗(yàn)可根據(jù)試件背板的支撐情況分為兩類，一類是試件背板無支撐的夾層試驗(yàn)，TSP 結(jié)構(gòu)試件背板緊貼支撐框架，支撐框架有一方形開口，開口中心與試件背板中心位置重合，并于支撐框架開口位置后方布置位移傳感器LVDT，用于監(jiān)測試件背板中心的位移。另一類是試件背板有支撐的覆層試驗(yàn)，試件背板后緊貼壓力傳感器系統(tǒng)，壓力傳感器系統(tǒng)后置剛性背板，其中多點(diǎn)壓力傳感器系統(tǒng)主要由3 個(gè)部分組成，10 mm 厚的前板、7 mm 厚的背板及前背板之間布置的5 個(gè)壓力傳感器，其單元排布位置如圖6 所示，單個(gè)壓力傳感器單元的最大測量量程為150 kN，采樣頻率為200 kHz，其高度為28.7 mm，接觸面為直徑28.9 mm 的圓，彈丸的沖擊位置分為L1、L2、L3、具體如圖6 所示。彈丸沖擊位置的變化由試件的水平移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，試件水平移動(dòng)時(shí)，其后壓力傳感器系統(tǒng)相應(yīng)地同步移動(dòng)，具體通過調(diào)整4 個(gè)L 形平面內(nèi)支撐來移動(dòng)試件，而空氣炮發(fā)彈系統(tǒng)炮口無需移動(dòng)。

2.2 彈頭

沖擊試驗(yàn)使用的彈丸質(zhì)量為10 kg，分為彈頭、彈托及密封圈3 個(gè)部分，彈頭為鋼制橢球體，彈托由低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE）制成，而密封圈則為橡膠制成，具體尺寸如圖7 所示。

2.3 試驗(yàn)方案

共進(jìn)行9 組試驗(yàn)，其中4 組為試件背板無支撐的夾層沖擊試驗(yàn)，5 組為試件背板有支撐的覆層沖擊試驗(yàn)，夾層沖擊試驗(yàn)中，試件皆為單層TSP 結(jié)構(gòu)試件，彈丸沖擊位置皆為L1，即對準(zhǔn)試件背板中心位置，而覆層沖擊試驗(yàn)中則增加了雙層TSP 結(jié)構(gòu)試件，且沖擊位置有3 種。各組試驗(yàn)詳情如表3 所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 夾層響應(yīng)分析

討論不同沖擊速度下的夾層板響應(yīng)與抗沖擊表現(xiàn)，背板中心的最大撓度與殘余撓度如圖8所示。背板中心點(diǎn)的最大撓度與殘余撓度隨著沖擊速度的增加而增加，其中，隨著沖擊速度的提高，殘余撓度與最大撓度的比值逐漸增加，并且不同速度的沖擊能量與殘余撓度的比值相近。

由圖9 可知，沖擊速度越高，沖擊位置距中心點(diǎn)的偏移越小，隨沖擊速度的提高，前板的局部凹陷和板的整體塑性變形越來越明顯，并且前板屈曲有從局部擴(kuò)散到整體的趨勢。背板的局部變形不明顯，而整體變形更多。前板的屈曲情況與芯層的壓潰分布非常吻合。從芯層的失效情況可以看到，前板的受沖擊位置下的單元被不同程度地壓潰，其余單元相對完好。而且，前板的局部變形不是隨機(jī)的，除了與速度有關(guān)，還與彈頭沖擊角度有關(guān)。如圖10 所示，彈丸由于重力作用和頭部質(zhì)量較大，到達(dá)前面板時(shí)有一定程度的傾斜和偏離目標(biāo)點(diǎn)，因此，沖擊荷載落點(diǎn)在目標(biāo)點(diǎn)往下并且沖擊方向向下傾斜，造成前板在彈頭沖擊點(diǎn)到面板下邊緣發(fā)生局部屈曲。當(dāng)沖擊速度達(dá)到22.55 m/s 時(shí)，彈頭只有很小的傾斜和偏移，因此，前板在多個(gè)方向均有屈曲。從前后面板的變形情況看，芯層將局部力擴(kuò)散至整塊背板，發(fā)揮了較好的緩沖作用。從芯層變形可以看出，越大的沖擊速度導(dǎo)致越多的單元被壓潰。這表明芯層在抵抗沖擊的過程中發(fā)揮了吸能和緩沖的作用。總的來說，沖擊速度越大，面板的變形越大，芯層的利用率越高，吸收的能量也更多。當(dāng)大部分芯層單元被壓潰后，背板將承擔(dān)更多的沖擊力，并且通過整體變形和面內(nèi)拉伸吸收剩余的能量。

對于TSP 單元的失效模式，大致分為3種形式。如圖9 所示，對于沖擊點(diǎn)正下方的單元，當(dāng)速度較低時(shí)，彈坑落在單元側(cè)壁上，只有該側(cè)壁被壓平，與該側(cè)壁連接的其他側(cè)壁的上邊緣向中心卷曲，整體未被壓實(shí)。從22.55 m/s 往后，彈坑開始落在單元的中空部分，這使得該單元有較好的壓潰模式，即單元側(cè)壁向中心彎曲，側(cè)壁的三角連接部分被壓平，單元幾乎變成二維板件。除了以上兩種失效模式，大部分的單元變形以側(cè)壁的屈曲和向內(nèi)卷曲為主。值得注意的是，如圖9（c）中黃色虛線圈住的區(qū)域可以看到，在邊緣的單元沒有外側(cè)單元提供橫向約束，因此，當(dāng)所在背板變形較大時(shí)，面板的局部彎曲導(dǎo)致螺栓不能為單元提供有效的約束，這造成了該單元側(cè)壁向外擠出或者單元脫落，沒有參與對沖擊荷載的耗能和緩沖。后續(xù)可設(shè)計(jì)邊緣單元的可靠約束來提高防護(hù)性能。

3.2 覆層的變形模式與防護(hù)性能

為研究TSP覆層板的沖擊緩解性能，用相同彈頭的彈丸沖擊以TSP作為芯層的2種覆層板，通過5 個(gè)壓力傳感器記錄背板傳遞力，以傳遞力的時(shí)程曲線與分布來研究層數(shù)和沖擊位置對防護(hù)性能的影響。

3.2.1 層數(shù)的影響

比較用19.58 和21.88 m/s 的彈頭分別撞擊的單層板和雙層板。如圖11所示，在接近的速度下，除了由于傳感器線路接觸問題導(dǎo)致左下方傳遞力數(shù)據(jù)未記錄，單層板的中心點(diǎn)峰值傳遞力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他點(diǎn)，是其他點(diǎn)的2倍以上，并且，單層板的板角附近點(diǎn)峰值與中心點(diǎn)峰值幾乎同時(shí)出現(xiàn)，而雙層的各點(diǎn)的傳遞力更均勻，除了中心點(diǎn)，其余點(diǎn)的傳遞力的峰值都很接近，板角附近點(diǎn)峰值比中心點(diǎn)峰值延后接近1 ms，中心點(diǎn)在1 ms 附近到達(dá)第1 個(gè)峰值，比其余點(diǎn)早，但數(shù)值遠(yuǎn)低于其余點(diǎn)，此外，中心點(diǎn)傳遞力在到達(dá)第1 個(gè)峰值后又迅速下降至零，后又再次增大，直至第2 個(gè)峰值。

根據(jù)最大峰值和各測點(diǎn)峰值大小的比較，可以推測雙層板具有很好的沖擊力擴(kuò)散作用，在抵抗沖擊過程中，雙層芯層和中間的面板將前板中心點(diǎn)局部沖擊力向周圍擴(kuò)散，因此其余4個(gè)點(diǎn)的峰值比中心點(diǎn)峰值出現(xiàn)得晚，當(dāng)中心點(diǎn)下的單元被壓實(shí)后，中心點(diǎn)又迎來第2 個(gè)峰值，此時(shí)中心點(diǎn)的沖擊力因?yàn)榍懊娴碾p層芯層的擴(kuò)散作用而大幅減小，最大峰值與其他點(diǎn)的峰值接近。通過圖12中背板沖擊點(diǎn)的壓痕位置與傳遞力時(shí)程曲線可推測，沖擊落點(diǎn)的偏移導(dǎo)致各測點(diǎn)傳遞力的差異，21.88 m/s 時(shí)，沖擊點(diǎn)偏向下，雙層板的右下方和左下方傳遞力均較上方測點(diǎn)大，29.76 m/s 時(shí)，沖擊點(diǎn)偏向右，右上方和右下方傳遞力均較左邊大， 表明除了沖擊速度、沖擊落點(diǎn)與測點(diǎn)的距離也將一定程度影響測點(diǎn)傳遞力的大小。由圖13 可知，沖擊造成面板振蕩，沖擊力使背板撞擊傳感器稱臺(tái)，使背板邊緣碰撞后遠(yuǎn)離稱臺(tái)又迅速彈回，導(dǎo)致板角附近點(diǎn)傳遞力先達(dá)到第1 個(gè)峰值后迅速減小，然后繼續(xù)增大，對應(yīng)圖11（c）中2.5～5.0 ms 的曲線變化，此現(xiàn)象可以在其它速度沖擊過程中觀察到，并反映在時(shí)程曲線中。提高彈丸發(fā)射速度沖擊雙層覆層板，結(jié)果如圖11（c）所示，由于雙層板內(nèi)該沖擊位置出現(xiàn)被壓實(shí)的情況，導(dǎo)致中心傳遞力急劇增大的情況，傳遞力的時(shí)程曲線形狀與單層非常相似。在防護(hù)效果上，雙層覆層板的高度接近于單層覆層板的兩倍，質(zhì)量比單層多54.6%，但測得的最大峰值傳遞力比單層減少了78.6%。

3.2.2 覆層的變形模式

比較兩種覆層板的變形，如圖14 （a），單層板的前板中心局部向下凹陷，前板下邊緣發(fā)生屈曲，背板靠近中心點(diǎn)處有明顯壓痕，壓痕介于單元壁與背板之間，中心單元只發(fā)生單元壁屈曲，沒有被壓實(shí)，說明傳遞力直接通過前板與背板接觸傳遞，這造成了單層中心點(diǎn)傳遞力遠(yuǎn)高于其他點(diǎn)的傳遞力。此外，單層板芯層只有比較靠近中心點(diǎn)的單元有明顯壓潰，其余單元都相對完好。對比發(fā)現(xiàn)，雙層板的前板除了凹陷還有大面積的整體變形，背板中心無明顯壓痕，無論上層和下層，中心單元都被壓實(shí)，而且芯層壓潰狀況比單層更均勻，范圍更廣。在抵抗沖擊過程中，沖擊能量會(huì)被面板和芯層以塑性變形消耗，宏觀上，面板變形越大、被壓潰的程度越大、壓潰單元數(shù)越多，芯層吸收的能量越多。因此，由以上兩種覆層的變形可以看出，雙層覆層板的能量吸收性能更優(yōu)秀。

如圖14（b）展示的變形，下層芯層被壓潰的單元數(shù)明顯更多，比上層相同平面位置的單元壓潰變形更大。圖14（c）展示了造成這種現(xiàn)象的過程，上層的平面外抗彎剛度比前板大，上下層板可以分別看作在2 塊相同的芯層正上方分別放置前面板和由前面板、中間面板、芯層組成的上層板，此時(shí)，上層板的剛度比前面板的剛度強(qiáng)，即上層板比前面板不易發(fā)生板平面外變形，當(dāng)受局部的沖擊力時(shí)，上層板更具有協(xié)同下層芯材一起壓潰的能力， 使更多的單元參與變形， 以更大程度吸收能量。當(dāng)沖擊速度為29.76 m/s 時(shí)，中心單元被壓實(shí)，靠近中心的單元被大范圍壓潰。

3.3 沖擊位置的影響

不同沖擊位置的傳遞力時(shí)程曲線，如圖15 所示，彈丸速度由氣室加載壓強(qiáng)控制，但受偶然因素影響，相同的加載壓力會(huì)產(chǎn)生不同的速度，因此，相同加載壓力下，彈丸實(shí)際速度存在差別。試驗(yàn)中，沖擊L2的速度稍低于沖擊L1、L3的速度，但不難看出隨著沖擊點(diǎn)往左側(cè)移動(dòng)，左上角、左下角的峰值傳遞力依次增大，此外L1 中心點(diǎn)傳遞力均比L2和L3大。由此可見沖擊位置對覆層板動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在顯著的影響。值得注意的是，如圖11（c）和圖15，L1、L3的中心點(diǎn)和大部分點(diǎn)從2ms開始快速到達(dá)峰值，而L2 的所有點(diǎn)的傳遞力到3ms才出現(xiàn)快速增長。

從芯層壓潰模式可以解釋L2 傳遞力延緩的現(xiàn)象，如圖16 （a） 所示，L2的沖擊點(diǎn)位置正好在兩相鄰單元的共同邊界位置，前面板與單元平臺(tái)截?cái)嗝鏇]有約束，面板受沖擊向下擠壓芯層時(shí)，傳遞力的讀數(shù)開始增大，沖擊點(diǎn)兩側(cè)單元壁因沒有頂部的約束而向兩邊滑開，兩側(cè)薄壁向下傾斜的角度越大，能承受的荷載越小，因此在傳遞力迅速增大前有一個(gè)下降段。從撞擊后試件看，L2彈坑兩側(cè)的薄壁向兩邊撐開。L1和L3位置在單元中心，雖然前面板沒有約束單元頂部，但4塊單元壁通過三角折疊連接約束，單元壁之間相互支撐，在前面板下壓時(shí)，單元壁直接承受沖擊荷載，使薄壁屈曲，力的反饋更直接，L1和L3位置存在同樣的變形機(jī)理，所以傳遞力比L2更早上升至峰值。

4 結(jié)論

本文中對TSP夾層和雙層覆層的抗沖擊性能進(jìn)行研究，通過空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)對試件在不同速度和位置下沖擊的響應(yīng)來評估其防護(hù)效果。比較夾層在不同速度下的位移變形，覆層在不同速度，不同位置的背板傳遞力，可以得到以下結(jié)論。

（1） 整體彎曲是夾層板的前后面板共有的變形模式，前面板還伴隨局部凹陷，其中面內(nèi)屈曲形式與彈頭沖擊位置和角度密切相關(guān)，分為單個(gè)方向和多個(gè)方向的屈曲，隨沖擊速度增大而向多個(gè)方向屈曲發(fā)展。

（2）TSP 夾層板表現(xiàn)出良好的抗沖擊性能，但是當(dāng)沖擊前板發(fā)生單方向面內(nèi)屈曲時(shí)，只有屈曲下方區(qū)域的核心被壓縮，芯層利用率不高。

（3） 在防護(hù)效果上，雙層覆層板的高度接近于單層覆層板的2倍，質(zhì)量比單層多54.6%，然而，由于需要更大的抗彎剛度來協(xié)調(diào)更多TSP 單元參與耗能變形，測得的最大峰值傳遞力比單層減少了78.6%。

（4） 沖擊位置對覆層板動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在顯著的影響，越靠近沖擊點(diǎn)的測點(diǎn)傳遞力越大，并且，當(dāng)沖擊點(diǎn)位于單元間隙時(shí)，由于沖擊造成的結(jié)構(gòu)變形模式與其他沖擊位置的差異而出現(xiàn)峰值傳遞力延緩的情況。

感謝方銳、鹿羿對本研究工作中試件加工與試驗(yàn)檢測的貢獻(xiàn)和幫助。

（責(zé)任編輯 王易難）