
兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (7): 1938-1953.doi: 10.12382/bgxb.2022.0208
刘彦1,2, 王百川1, 闫俊伯1,*(
), 闫子辰1, 时振清1, 黄风雷1
收稿日期:2022-03-29
上线日期:2023-07-30
通讯作者:
LIU Yan1,2, WANG Baichuan1, YAN Junbo1,*(
), YAN Zichen1, SHI Zhenqing1, HUANG Fenglei1
Received:2022-03-29
Online:2023-07-30
摘要:
随着战争的不断加剧,弹丸对高价值设施有严重威胁,提高各类设施的抗侵彻性能尤为关键。通过弹道枪实验和数值模拟方法研究3D打印蜂窝夹芯结构的抗侵彻性能。通过弹道冲击实验对比分析7块试件的动态响应。夹芯结构由Q345钢顶板、碳纤维增强复合材料(CFRP)背板和铝合金蜂窝芯层组成。实验对比了3种蜂窝芯层构型:泡沫铝、正六边形及具有负泊松比效应的内凹六边形。对比结果表明,与蜂窝芯层为泡沫铝和正泊松比的蜂窝夹芯结构相比,负泊松比蜂窝夹芯结构残余速度较低,抗侵彻性能较强。通过数值模拟研究获得了负泊松比蜂窝夹芯结构的动态响应过程。通过参数分析进一步得到胞元内折角度、背板厚度以及背板类型对负泊松比蜂窝夹芯结构抗侵彻性能的影响规律。数值研究结果表明,3种因素对蜂窝夹芯结构抗侵彻性能均存在一定影响。运用非支配遗传算法对初始蜂窝夹芯结构进行多目标优化,在保证相同弹道极限速度的前提下使得其质量减轻21.1%。
刘彦, 王百川, 闫俊伯, 闫子辰, 时振清, 黄风雷. 侵彻作用下负泊松比蜂窝夹芯结构动态响应[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1938-1953.
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图1 蜂窝示意图以及相关尺寸(左为参数示意图,右为各参数尺寸)
Fig.1 Schematic diagram of honeycomb and relevant dimensions(left: schematic diagram of the parameters; right:parameter dimensions)
| 结构 | 胞元 角度 θ/(°) | 胞元壁 厚度 t/mm | 水平胞元 壁长度 L1/mm | 斜胞元 壁长度 L2/mm | 整体 质量/ kg | 整体 厚度/ mm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 传统 | 60 | 0.5 | 5 | 2.5 | 0.787 | 38.1 |
| 内凹 | 60 | 0.5 | 5 | 2.5 | 0.834 | 38.1 |
表1 蜂窝尺寸
Table 1 Size of honeycomb structure
| 结构 | 胞元 角度 θ/(°) | 胞元壁 厚度 t/mm | 水平胞元 壁长度 L1/mm | 斜胞元 壁长度 L2/mm | 整体 质量/ kg | 整体 厚度/ mm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 传统 | 60 | 0.5 | 5 | 2.5 | 0.787 | 38.1 |
| 内凹 | 60 | 0.5 | 5 | 2.5 | 0.834 | 38.1 |
| 顶板 | 屈服应力/MPa | 极限应力/MPa | 断裂应变 |
|---|---|---|---|
| Q345钢 | 370 | 520 | 0.21 |
表2 Q345钢板基本力学参数
Table 2 Typical mechanical properties of Q345 steel plate
| 顶板 | 屈服应力/MPa | 极限应力/MPa | 断裂应变 |
|---|---|---|---|
| Q345钢 | 370 | 520 | 0.21 |
| 背板 | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/GPa | 极限应变% |
|---|---|---|---|
| CFRP[0°/90°] | 3140 | 260 | 1.2 |
表3 CFRP板基本力学参数
Table 3 Typical mechanical properties of CFRP
| 背板 | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/GPa | 极限应变% |
|---|---|---|---|
| CFRP[0°/90°] | 3140 | 260 | 1.2 |
| 芯层 类型 | 构型 | 面密度/ (g·cm-2) | 初始速度/ (m·s-1) | 毁伤 情况 | 残余速度/ (m·s-1) | 冲击侧射孔 直径/mm | 后侧射孔 参数/mm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 泡沫铝[ | 钢板-泡沫铝-CFRP | 4.77 | 369.1 | 贯穿 | 152.8 | 7.73 | 11×27 |
| 513.2 | 贯穿 | 256.8 | 7.61 | 39×73 | |||
| 576.0 | 贯穿 | 299.0 | 7.85 | 54×110 | |||
| 正六边形结构 | 钢板-正六边形-CFRP | 4.49 | 356.7 | 贯穿 | 67.4 | 7.70 | 16×29 |
| 内凹六边形结构 | 内凹六边形芯层 | 3.83 | 538.0 | 贯穿 | 237.0 | 7.81 | |
| 钢板-内凹六边形-CFRP | 4.77 | 364.9 | 未贯穿 | 0(侵彻深度为31.3mm) | 7.54 | 29×55 | |
| 616.2 | 贯穿 | 339.0 | 7.64 |
表4 各工况外场实验结果
Table 4 Field experiment results under various conditions
| 芯层 类型 | 构型 | 面密度/ (g·cm-2) | 初始速度/ (m·s-1) | 毁伤 情况 | 残余速度/ (m·s-1) | 冲击侧射孔 直径/mm | 后侧射孔 参数/mm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 泡沫铝[ | 钢板-泡沫铝-CFRP | 4.77 | 369.1 | 贯穿 | 152.8 | 7.73 | 11×27 |
| 513.2 | 贯穿 | 256.8 | 7.61 | 39×73 | |||
| 576.0 | 贯穿 | 299.0 | 7.85 | 54×110 | |||
| 正六边形结构 | 钢板-正六边形-CFRP | 4.49 | 356.7 | 贯穿 | 67.4 | 7.70 | 16×29 |
| 内凹六边形结构 | 内凹六边形芯层 | 3.83 | 538.0 | 贯穿 | 237.0 | 7.81 | |
| 钢板-内凹六边形-CFRP | 4.77 | 364.9 | 未贯穿 | 0(侵彻深度为31.3mm) | 7.54 | 29×55 | |
| 616.2 | 贯穿 | 339.0 | 7.64 |
| 材料 | 密度/ (g·cm-3) | 杨氏 模量/GPa | 泊松比 | 屈服应力/ MPa | 正切模量/ GPa | 失效应变 | DIF模型 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Q345钢 | 7.8 | 200 | 0.3 | 基于参考文献[ | Malvar & Crawford模型[ | ||
| 材料 | 密度/ (g·cm-3) | 杨氏 模量/GPa | 泊松比 | 屈服应力/ MPa | 正切模量/ GPa | 失效应变 | DIF模型 |
| 铝合金 | 2.78 | 86.1 | 0.33 | 采用LCSS,输入基于 | 忽略 | ||
表5 钢板以及铝合金蜂窝芯层的材料模型及参数
Table 5 Characteristics of steel plate and Al-alloy honeycomb core
| 材料 | 密度/ (g·cm-3) | 杨氏 模量/GPa | 泊松比 | 屈服应力/ MPa | 正切模量/ GPa | 失效应变 | DIF模型 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Q345钢 | 7.8 | 200 | 0.3 | 基于参考文献[ | Malvar & Crawford模型[ | ||
| 材料 | 密度/ (g·cm-3) | 杨氏 模量/GPa | 泊松比 | 屈服应力/ MPa | 正切模量/ GPa | 失效应变 | DIF模型 |
| 铝合金 | 2.78 | 86.1 | 0.33 | 采用LCSS,输入基于 | 忽略 | ||
| 类型 | 面板 | 弹道速度/ (m·s-1) | 残余速度/(m·s-1) | 偏差/% | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| vr_exp | vr_num | vr_num/vr_exp | ||||
| 泡沫铝 | 钢板-泡沫铝-CFRP | 369.1 | 152.8 | 172 | 1.13 | 12.57 |
| 513.2 | 256.8 | 220 | 0.86 | -14.3 | ||
| 576 | 299 | 265 | 0.89 | -11.37 | ||
| 正六边形 | 钢板-正六边形-CFRP | 356.7 | 67.4 | 85.7 | 1.27 | 27.15 |
| 内凹六边形 | 内凹六边形 | 538 | 237 | 265 | 1.12 | 11.81 |
| 钢板-内凹六边形-CFRP | 364.9 | —(侵深为31.3mm) | —(侵深为35.7mm) | —(侵深之比为1.14) | 14.06 | |
| 616.2 | 339 | 316 | 0.93 | -6.78 | ||
| 总体 | 1.05 | 14.01 | ||||
表7 数值模拟残余速度和实验残余速度比较
Table 7 Residual velocity of simulation and experimental results
| 类型 | 面板 | 弹道速度/ (m·s-1) | 残余速度/(m·s-1) | 偏差/% | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| vr_exp | vr_num | vr_num/vr_exp | ||||
| 泡沫铝 | 钢板-泡沫铝-CFRP | 369.1 | 152.8 | 172 | 1.13 | 12.57 |
| 513.2 | 256.8 | 220 | 0.86 | -14.3 | ||
| 576 | 299 | 265 | 0.89 | -11.37 | ||
| 正六边形 | 钢板-正六边形-CFRP | 356.7 | 67.4 | 85.7 | 1.27 | 27.15 |
| 内凹六边形 | 内凹六边形 | 538 | 237 | 265 | 1.12 | 11.81 |
| 钢板-内凹六边形-CFRP | 364.9 | —(侵深为31.3mm) | —(侵深为35.7mm) | —(侵深之比为1.14) | 14.06 | |
| 616.2 | 339 | 316 | 0.93 | -6.78 | ||
| 总体 | 1.05 | 14.01 | ||||
图14 横截面破坏模式比较(上为实验所得侵彻示意图,下为仿真所得侵彻示意图)
Fig.14 Cross-section damage comparison (top: experimental penetration schematic diagram; bottom: simulated penetration schematic diagram)
| 类型 | 弹道极限 速度/ (m·s-1) | 极限时 所吸收 能量/J | 弹道极限下单位 质量吸收能量/ (J·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 钢板-泡沫铝-CFRP | 190 | 72.7 | 69.6 |
| 钢板-正六边形-CFRP | 350 | 247 | 247.5 |
| 钢板-内凹六边形-CFRP | 390 | 307 | 293.8 |
表8 芯层配置对弹道极限以及能量吸收的影响
Table 8 Effect of core configuration on ballistic limit and energy absorption
| 类型 | 弹道极限 速度/ (m·s-1) | 极限时 所吸收 能量/J | 弹道极限下单位 质量吸收能量/ (J·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 钢板-泡沫铝-CFRP | 190 | 72.7 | 69.6 |
| 钢板-正六边形-CFRP | 350 | 247 | 247.5 |
| 钢板-内凹六边形-CFRP | 390 | 307 | 293.8 |
| 胞元 角度/ (°) | 弹道极限 速度/ (m·s-1) | 弹道极限 时的吸收 能量/J | 弹道极限时单位 质量的吸收 能量/(J·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 30 | 400 | 322 | 308.1 |
| 45 | 390 | 307 | 293.8 |
| 60 | 390 | 307 | 293.8 |
表9 内凹蜂窝角度对弹道极限和能量吸收影响
Table 9 Influence of core configuration on ballistic limit and energy absorption
| 胞元 角度/ (°) | 弹道极限 速度/ (m·s-1) | 弹道极限 时的吸收 能量/J | 弹道极限时单位 质量的吸收 能量/(J·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 30 | 400 | 322 | 308.1 |
| 45 | 390 | 307 | 293.8 |
| 60 | 390 | 307 | 293.8 |
图23 600m/s冲击初速度下不同胞元角度的负泊松比蜂窝夹芯结构毁伤模式
Fig.23 Damage modes of honeycomb sandwich structures with Negative Poisson’s ratio at different cell angles under 600m/s initial impact velocity
| CFRP 面板厚度/ mm | 弹道极 限速度/ (m·s-1) | 弹道极限 时吸收 能量/J | 弹道极限时单位 质量所吸收 能量/(J·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 1 | 390 | 307 | 293.8 |
| 2 | 480 | 464 | 490.2 |
| 3 | 620 | 775 | 828.8 |
表10 CFRP厚度对弹道极限及能量吸收的影响
Table 10 Influence of CFRP panel thickness on ballistic limit and energy absorption
| CFRP 面板厚度/ mm | 弹道极 限速度/ (m·s-1) | 弹道极限 时吸收 能量/J | 弹道极限时单位 质量所吸收 能量/(J·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 1 | 390 | 307 | 293.8 |
| 2 | 480 | 464 | 490.2 |
| 3 | 620 | 775 | 828.8 |
| 背板类型 | 弹道极 限速度/ (m·s-1) | 弹道极限 时所吸收 能量/J | 弹道极限时单位 质量所吸收 能量/(J·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 3mm CFRP | 620 | 775 | 828.8 |
| 等面密度0.6mmQ345钢板 | 250 | 125 | 133.7 |
| 3mm等体积Q345钢板 | 320 | 206 | 220.3 |
表11 蜂窝夹芯结构弹道极限及吸收能量
Table 11 Ballistic limits and energy absorption of honeycomb sandwich structure
| 背板类型 | 弹道极 限速度/ (m·s-1) | 弹道极限 时所吸收 能量/J | 弹道极限时单位 质量所吸收 能量/(J·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 3mm CFRP | 620 | 775 | 828.8 |
| 等面密度0.6mmQ345钢板 | 250 | 125 | 133.7 |
| 3mm等体积Q345钢板 | 320 | 206 | 220.3 |
| t1/mm | t2/mm | t3/mm | θ/(°) | 弹道极限速度/ (m·s-1) |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 | 1.4 | 3 | 30 | 398 |
| 0.5 | 1.0 | 1 | 45 | 200 |
| 0.5 | 1.2 | 2 | 60 | 360 |
| 1.5 | 1.4 | 2 | 45 | 466 |
| 1.5 | 1.0 | 3 | 60 | 600 |
| 1.5 | 1.2 | 1 | 30 | 475 |
| 2.0 | 1.4 | 1 | 60 | 750 |
| 2.0 | 1.0 | 2 | 30 | 659.5 |
| 2.0 | 1.2 | 3 | 45 | 644 |
| 1.0 | 1.4 | 2 | 45 | 367 |
| 1.0 | 1.0 | 1 | 30 | 400 |
| 1.0 | 1.2 | 3 | 60 | 500 |
表12 仿真及实验所获得弹道极限速度
Table 12 Ballistic limit velocity obtained by simulation and experiment
| t1/mm | t2/mm | t3/mm | θ/(°) | 弹道极限速度/ (m·s-1) |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 | 1.4 | 3 | 30 | 398 |
| 0.5 | 1.0 | 1 | 45 | 200 |
| 0.5 | 1.2 | 2 | 60 | 360 |
| 1.5 | 1.4 | 2 | 45 | 466 |
| 1.5 | 1.0 | 3 | 60 | 600 |
| 1.5 | 1.2 | 1 | 30 | 475 |
| 2.0 | 1.4 | 1 | 60 | 750 |
| 2.0 | 1.0 | 2 | 30 | 659.5 |
| 2.0 | 1.2 | 3 | 45 | 644 |
| 1.0 | 1.4 | 2 | 45 | 367 |
| 1.0 | 1.0 | 1 | 30 | 400 |
| 1.0 | 1.2 | 3 | 60 | 500 |
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