兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3): 240037-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0037
收稿日期:
2024-01-11
上线日期:
2025-03-26
通讯作者:
基金资助:
MAO Guanghui1, WANG Cheng1,*(), WANG Wanli1, XU Wenlong2
Received:
2024-01-11
Online:
2025-03-26
摘要:
内凹蜂窝结构因其独特的变形模式、出色的抗冲击和能量吸收特性以及轻质特点,在汽车工业、航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。基于传统内凹六边形蜂窝结构,引入圆角设计并通过改变圆角的排布方式,提出一种基于圆角增强的变形可控内凹蜂窝结构,采用金属3D打印技术制备变形模式为Z型和Y型的变形可控蜂窝结构。为探究其抗冲击性能,开展准静态压缩和落锤冲击实验以及有限元数值模拟,分析结构的变形模式和吸能特性。研究结果表明:新提出的新型蜂窝结构实现了变形模式的可控,通过定制的Z型和Y型变形模式,显著提高了结构的吸能性能,具有良好的压溃稳定性;在同种结构下,吸能性能随着圆角半径的增大逐渐提高;随着速度的增加,结构变形模式逐渐向I型压溃演变,结构的平台力大致呈现出递增的趋势,吸能效率逐渐降低;Z型结构因其圆角的非对称排布,在多数情况下其抗冲击性能优于Y型结构。研究结果可为动态冲击作用下新型结构的耐撞性设计提供参考。
中图分类号:
毛光辉, 王成, 王万里, 徐文龙. 变形可控内凹蜂窝结构抗冲击性能研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(3): 240037-.
MAO Guanghui, WANG Cheng, WANG Wanli, XU Wenlong. Research on the Impact Resistance of Deformation-controllable Concave Honeycomb Structures[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(3): 240037-.
结构 | 总长L/mm | 总高H/mm | 壁厚t/mm | 圆角半径r/mm |
---|---|---|---|---|
RH | 69.20 | 45.00 | 0.60 | 0.00 |
ZH | 69.20 | 45.00 | 0.60 | 0.60 |
YH | 69.20 | 45.00 | 0.60 | 0.60 |
表1 整体蜂窝结构的几何参数
Table 1 Geometric parameters of the whole honeycomb structure
结构 | 总长L/mm | 总高H/mm | 壁厚t/mm | 圆角半径r/mm |
---|---|---|---|---|
RH | 69.20 | 45.00 | 0.60 | 0.00 |
ZH | 69.20 | 45.00 | 0.60 | 0.60 |
YH | 69.20 | 45.00 | 0.60 | 0.60 |
参数 | 数值 |
---|---|
密度ρ/(g·cm-3) | 2.62 |
杨氏模量E/GPa | 71.15 |
泊松比n | 0.30 |
屈服强度/MPa | 245.39 |
断裂强度/MPa | 426.85 |
断裂应变 | 0.034 |
表2 AlSi10Mg材料参数
Table 2 Material parameters of AlSi10Mg
参数 | 数值 |
---|---|
密度ρ/(g·cm-3) | 2.62 |
杨氏模量E/GPa | 71.15 |
泊松比n | 0.30 |
屈服强度/MPa | 245.39 |
断裂强度/MPa | 426.85 |
断裂应变 | 0.034 |
A/MPa | B/MPa | n | C |
---|---|---|---|
245.39 | 2246.24 | 0.74 | 0.037 |
表3 AlSi10Mg的Johnson-Cook参数
Table 3 Johnson-Cook parameters of AlSi10Mg
A/MPa | B/MPa | n | C |
---|---|---|---|
245.39 | 2246.24 | 0.74 | 0.037 |
工况 | 蜂窝结构 | r/mm | m/g | 相对密度 |
---|---|---|---|---|
1 | RH | 0.00 | 50.43 | 0.237 |
2 | ZH | 0.60 | 52.55 | 0.246 |
3 | YH | 0.60 | 52.42 | 0.246 |
4 | ZH | 0.30 | 51.48 | 0.239 |
5 | ZH | 0.72 | 52.96 | 0.250 |
6 | ZH | 0.90 | 54.53 | 0.256 |
表4 准静态实验工况
Table 4 Quasi-static experimental conditions
工况 | 蜂窝结构 | r/mm | m/g | 相对密度 |
---|---|---|---|---|
1 | RH | 0.00 | 50.43 | 0.237 |
2 | ZH | 0.60 | 52.55 | 0.246 |
3 | YH | 0.60 | 52.42 | 0.246 |
4 | ZH | 0.30 | 51.48 | 0.239 |
5 | ZH | 0.72 | 52.96 | 0.250 |
6 | ZH | 0.90 | 54.53 | 0.256 |
试件 | EA/J | SEA/ (J·g-1) | IPF/ kN | MCF/ kN | CFE |
---|---|---|---|---|---|
RH | 115.54 | 2.29 | 6.90 | 4.62 | 0.67 |
ZH | 153.76 | 2.93 | 8.10 | 6.15 | 0.76 |
YH | 139.83 | 2.67 | 7.60 | 5.59 | 0.74 |
ZH-0.30 | 120.93 | 2.35 | 7.95 | 4.84 | 0.61 |
ZH-0.72 | 167.78 | 3.17 | 8.17 | 6.71 | 0.82 |
ZH-0.90 | 186.75 | 3.42 | 8.30 | 7.47 | 0.90 |
表5 准静态下蜂窝结构耐撞性指标
Table 5 Crashworthiness indicators of honeycomb structure under quasi-static condition
试件 | EA/J | SEA/ (J·g-1) | IPF/ kN | MCF/ kN | CFE |
---|---|---|---|---|---|
RH | 115.54 | 2.29 | 6.90 | 4.62 | 0.67 |
ZH | 153.76 | 2.93 | 8.10 | 6.15 | 0.76 |
YH | 139.83 | 2.67 | 7.60 | 5.59 | 0.74 |
ZH-0.30 | 120.93 | 2.35 | 7.95 | 4.84 | 0.61 |
ZH-0.72 | 167.78 | 3.17 | 8.17 | 6.71 | 0.82 |
ZH-0.90 | 186.75 | 3.42 | 8.30 | 7.47 | 0.90 |
图15 准静态下蜂窝结构实验和模拟的载荷-位移曲线对比
Fig.15 Comparison of experimental and simulated load-displacement curves of honeycomb structures under quasi-static condition
工况 | 蜂窝结构 | r/mm | 加载速度/(m·s-1) |
---|---|---|---|
1 | RH | 0 | 4 |
2 | ZH | 0.60 | 4 |
3 | YH | 0.60 | 4 |
4 | ZH | 0.30 | 4 |
5 | ZH | 0.72 | 4 |
6 | ZH | 0.90 | 4 |
表6 落锤动态冲击实验工况
Table 6 Drop weight dynamic impact test conditions
工况 | 蜂窝结构 | r/mm | 加载速度/(m·s-1) |
---|---|---|---|
1 | RH | 0 | 4 |
2 | ZH | 0.60 | 4 |
3 | YH | 0.60 | 4 |
4 | ZH | 0.30 | 4 |
5 | ZH | 0.72 | 4 |
6 | ZH | 0.90 | 4 |
试件 | EA/J | SEA/(J·g-1) | IPF/kN | MCF/kN | CFE |
---|---|---|---|---|---|
RH | 122.22 | 2.43 | 8.85 | 4.89 | 0.55 |
ZH | 156.99 | 2.98 | 10.66 | 6.28 | 0.59 |
YH | 153.63 | 2.97 | 10.18 | 6.15 | 0.60 |
ZH-0.30 | 129.00 | 2.54 | 9.93 | 5.16 | 0.52 |
ZH-0.72 | 170.75 | 3.25 | 11.04 | 6.83 | 0.62 |
ZH-0.90 | 217.05 | 3.99 | 11.47 | 8.68 | 0.76 |
表7 动态冲击下不同蜂窝结构耐撞性指标
Table 7 Crashworthiness indicators of honeycomb structure under dynamic impact
试件 | EA/J | SEA/(J·g-1) | IPF/kN | MCF/kN | CFE |
---|---|---|---|---|---|
RH | 122.22 | 2.43 | 8.85 | 4.89 | 0.55 |
ZH | 156.99 | 2.98 | 10.66 | 6.28 | 0.59 |
YH | 153.63 | 2.97 | 10.18 | 6.15 | 0.60 |
ZH-0.30 | 129.00 | 2.54 | 9.93 | 5.16 | 0.52 |
ZH-0.72 | 170.75 | 3.25 | 11.04 | 6.83 | 0.62 |
ZH-0.90 | 217.05 | 3.99 | 11.47 | 8.68 | 0.76 |
结构 | ε=0.1 | ε=0.2 |
---|---|---|
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
结构 | ε=0.3 | ε=0.4 |
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
表8 3种结构的变形模式(v1=10m/s)
Table 8 Deformation modes of three structures (v1=10m/s)
结构 | ε=0.1 | ε=0.2 |
---|---|---|
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
结构 | ε=0.3 | ε=0.4 |
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
结构 | ε=0.1 | ε=0.2 |
---|---|---|
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
结构 | ε=0.3 | ε=0.4 |
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
表9 3种结构的变形模式(v2=25m/s)
Table 9 Deformation modes of three structures (v2=25m/s)
结构 | ε=0.1 | ε=0.2 |
---|---|---|
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
结构 | ε=0.3 | ε=0.4 |
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
结构 | ε=0.1 | ε=0.2 |
---|---|---|
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
结构 | ε=0.3 | ε=0.4 |
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
表10 3种结构的变形模式(v3=40m/s)
Table 10 Deformation modes of three structures (v3=40m/s)
结构 | ε=0.1 | ε=0.2 |
---|---|---|
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
结构 | ε=0.3 | ε=0.4 |
RH | | |
ZH | | |
YH | | |
加载速度/ (m·s-1) | 试件 | SEA/ (J·g-1) | PCF/ kN | MCF/ kN | CFE |
---|---|---|---|---|---|
10 | RH | 2.62 | 9.68 | 5.21 | 0.54 |
ZH | 3.79 | 12.20 | 7.85 | 0.64 | |
YH | 3.67 | 12.42 | 7.61 | 0.61 | |
25 | RH | 2.61 | 13.07 | 5.23 | 0.40 |
ZH | 3.78 | 16.43 | 7.87 | 0.48 | |
YH | 3.74 | 18.40 | 7.80 | 0.42 | |
40 | RH | 3.02 | 11.47 | 6.04 | 0.53 |
ZH | 3.69 | 16.88 | 7.68 | 0.46 | |
YH | 3.64 | 16.03 | 7.57 | 0.47 |
表11 不同速度下3种结构的耐撞性指标
Table 11 Crashworthiness indicators of three structures at different speeds
加载速度/ (m·s-1) | 试件 | SEA/ (J·g-1) | PCF/ kN | MCF/ kN | CFE |
---|---|---|---|---|---|
10 | RH | 2.62 | 9.68 | 5.21 | 0.54 |
ZH | 3.79 | 12.20 | 7.85 | 0.64 | |
YH | 3.67 | 12.42 | 7.61 | 0.61 | |
25 | RH | 2.61 | 13.07 | 5.23 | 0.40 |
ZH | 3.78 | 16.43 | 7.87 | 0.48 | |
YH | 3.74 | 18.40 | 7.80 | 0.42 | |
40 | RH | 3.02 | 11.47 | 6.04 | 0.53 |
ZH | 3.69 | 16.88 | 7.68 | 0.46 | |
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