2D周期性蜂窝结构面内静动态压缩力学行为研究.doc

2D周期性蜂窝结构面内静动态压缩力学行为研究 王博 徐胜利 张雄 程耿东 大连理工大学工程力学系，工业装备结构分析国家重点实验室，116023 Email：wangb@dl.cn 摘要：基于“平板开缝－装配－焊接”工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构，并开展了Kagome、正三角形、菱形和正六边形蜂窝结构的面内压缩和冲击力学行为实验研究及数值模拟，实验过程中应用CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测；实验结果和数值模拟吻合较好，揭示在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下，Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于其它三种蜂窝结构，本文还对其破坏机理进行了讨论。 关键词：Kagome，蜂窝结构，能量吸收，力学性能 1 引言 蜂窝结构面内压缩和冲击力学行为研究一直是广大学者关心的热点问题，一方面是由于工业、汽车、国防等重要部件的蜂窝填充防护材料的研究需求；另一方面是由于蜂窝结构相对简单，可以直接用于复杂得多的三维泡沫材料能量吸收及其相关力学性能的定量研究。Zhou等[1]基于实验研究了六边形铝蜂窝的面内压缩力学行为，同面外力学行为进行比较，给出了剪切大变形时蜂窝结构三个方向的剪切应力－应变曲线；王飞等[2]研究了蜂窝铝的面内单向压缩、失稳和破坏机制；Klintworth和Stronge[3]研究了面内单向冲击载荷下的蜂窝力学行为；Papka等[4][5]开展了圆形蜂窝面内的后屈曲行为研究。不过可以看出，大部分实验及数值分析工作主要针对低密度正六边形和圆形的蜂窝结构，关于蜂窝不同形态对面内压缩力学行为影响的研究工作并不多见。而蜂窝面内受压缩和冲击时，主要呈现的力学行为是蜂窝坍塌而导致的蜂窝结构局部化变形，除了基体材料性质是其重要影响因素以外，对于静态压缩还与蜂窝结构的形貌以及材料分布密切相关，对于动态冲击问题更与蜂窝结构的惯性效应和应变率效应[6][7]相关，而影响惯性效应和应变率效应的因素除了蜂窝基体材料性质以外，最重要的就是蜂窝孔的形貌[7][8]。为此，Chen[9]和Simone等人[10]研究了不同的蜂窝孔壁与孔结点材料分布对蜂窝大变形的影响；Daxner等[11]、Fazekas等[12]和廖明顺[13]基于理想化模型的数值模拟，给出了不同孔径蜂窝结构与规则正六边形蜂窝结构吸能特性的比较。然而作为最重要的蜂窝形貌——蜂窝形状和排布——对蜂窝面内压缩和冲击力学性能影响的相关研究工作非常少，尤其是相关实验研究工作还未见有人开展。 Kagome蜂窝近年来得到了众多国内外学者的关注，它是由正六边形和正三角形两种形态的蜂窝所组成的一种“组合蜂窝”结构。所谓“组合蜂窝”，即由不同类型或尺寸的蜂窝所构成的周期性蜂窝结构[14]。Hyun和Torquato[15]研究表明在所有等长度壁杆的各向同性蜂窝结构中，Kagome蜂窝拥有最优的面内刚度；Wicks等人[16]研究了存在缺陷的Kagome蜂窝结构的力学响应，发现在缺陷周围Kagome蜂窝壁以弯曲变形为主，远离缺陷的蜂窝壁呈现拉压变形；Hutchinson 等[17]基于理论物理中的Bloch-wave理论发展了无限宏观结构尺寸下周期性桁架结构的矩阵分析方法，并以此分析了平面Kagome桁架结构的变形机制；Fleck和邱信明[18]对Kagome蜂窝面内I和II型裂纹损伤容限与正六边形蜂窝和正三角形蜂窝进行了对比研究。此外，王博等[19][20]报道了Kagome蜂窝结构在电子元件热沉等散热构件中的应用，研究结果显示Kagome蜂窝在散热－承载综合性能上远优于传统的正六边形、正三角形等单一形状蜂窝。 本文以2D周期性蜂窝结构面内能量吸收性能为主要研究目的，文章结构如下：以高聚物材料（PP）为基体材料，基于“平板开缝－装配－焊接”工艺制备了Kagome等蜂窝结构；在准静态单向加载情况下，实验测试给出了Kagome、正三角形和菱形蜂窝构件的载荷位移曲线，实验过程中应用CCD图像采集系统和图像相关法[21][22]对试件变形进行了全场位移测量；基于商用软件LS－DYNA模拟了Kagome、正三角形和正六边形蜂窝结构面内单向低速冲击的载荷位移曲线；分别对实验和数值载荷位移曲线进行积分获得不同蜂窝的能量积分曲线，通过比较，揭示在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下，Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于其它三种蜂窝结构，本文还对Kagome蜂窝的破坏机理进行了讨论。 2 蜂窝结构面内准静态压缩力学行为实验研究 2.1 高聚物蜂窝结构制备方法 以聚丙烯（PP）高聚物板材，采用“平板开缝－装配－焊接”工艺制备了三种蜂窝结构，见图，依次为正三角形蜂窝、Kagome蜂窝和菱形蜂窝结构。图是对应的开缝插口示意图。本选用的板材是河北保定力达塑业有限公司的板。 图2 蜂窝结构