【原】《Composites Part B》：结构缺陷对蜂窝夹层结构的影响研究

复合材料力学 2022-01-19

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（翻译整理：陈文编辑校对：张鑫）

随着交通工具速度大幅度的提升，其安全指标变得越来越严格。无论是行驶在马路上的汽车，还是铁轨上的高铁/火车，亦或是天上的飞机，都在寻求更好的保护措施以最大程度减少碰撞事故造成的损失。因此，很多学者致力于吸能材料的研究，考虑到密度因素，从最开始的金属薄壁方形管、圆管以及多壁管，到多孔结构。近些年，由于蜂窝结构具有优异的力学性能和吸能性能，被广泛关注。的确，蜂窝结构是吸能材料和夹层结构芯材的不错选择，但是其自身的结构缺陷也是不容忽视的。这种结构缺陷很有可能是由于制造过程导致的，极大影响其力学性能。图1是目前主流的蜂窝材料制造工艺流程。

图1 （a）蜂窝产品的生产流程示意图（b）蜂窝产品示意图

蜂窝结构敏感程度极高，因此在成型、切割等制造过程中，甚至是全生命周期中，部分连接点的破坏、分离或者任何一个小的缺陷都会改变蜂窝芯格的连续性，影响结构的变形性能，甚至可能影响蜂窝结构的力学性能。目前已有的文献报道中，极少关于给定蜂窝产品的性能一致性及原因分析的研究。

为了研究详细的结构缺陷对蜂窝夹层结构的影响，中南大学交通运输工程学院的王中钢（第一作者&通讯作者）团队在《Composites Part B》上发表了题为 “On the influence of structural defects for honeycomb structure” 的文章，研究了缺陷分布及其对力学性能的影响以及改善方法。

本文使用的是5052H18铝箔纸，其中蜂窝参数参考图2和表1所示。铝箔纸的力学性能参考表2。图3（d）表示模块的划分，其中在上层的子块命名为F1-F6，在下层的命名为F7-F12，它们的整体尺寸相同。对每个子模块进行单轴准静态压缩试验，测试设备为INSTRON 1342，室温下加载速度为1mm/min。

图2 （a）蜂窝结构示意图（b）蜂窝芯格示意图

表1 蜂窝芯格参数

表2 铝箔纸力学性能参数

图3 （a）产品示意图（b）试样示意图（c）模块示意图（d）子模块示意图（e）开始测试

从表3和图4中可以看出蜂窝压缩性能具有不均匀性，其中最大的平台应力为1.17MPa（F-11），最小平台应力只有1.01MPa（F-7）。这12个子模块的平台应力为1.05MPa，最大值和最小值的差值可达0.16MPa。另外F-2、F-8和F-11的平台应力略微高于其他子模块，这说明蜂窝的中间区域力学性能优于边缘区域。图5（a）展示了一种典型的拉伸过程中边缘区域的蜂窝出现的畸形缺陷，图5（b）是芯格间的脱粘缺陷。

表3 每个模块的压缩测试结果（单位：MPa）

图4 （a）压缩测试曲线（b）平台压力值的均匀性

图5 （a）蜂窝芯畸形缺陷（b）蜂窝芯脱粘缺陷

随后本文采用有限元仿真分析软件LS-DYNA研究不同种类结构缺陷对蜂窝力学性能的影响。图6为不同变形状态下的试验和仿真分析结果，其中图6（a）、（c）、（e）、（g）和（i）为试验测试结果，图6（b）、（d）、（f）、（h）和（g）为仿真分析结果，对比可以看出试验结果和仿真分析结果基本一致，说明所创建的有限元模型具有准确性。

图6 （a）压缩试验前（b）压缩仿真前（c）试验ε=0.2（d）仿真ε=0.2（e）试验ε=0.4（f）仿真ε=0.4（g）试验ε=0.6（h）仿真ε=0.6（i）试验ε=0.8（j）仿真ε=0.8

之后本文研究了规则芯格和不规则芯格的仿真分析结果。图7为仿真分析结果，图7（b）表明边缘芯格出现塌陷并且挤压程度严重。图8为对应的应力-位移和吸能-位移曲线，规则芯格应力可达22.50kN，吸收1158.36J能量；而不规则芯格仅有21.09kN，吸收1084.71J能量。因此，对于蜂窝结果而言，不规则芯格将直接影响其力学性能。