肖 鋒，諶 勇，章振華，馬 超，華宏星

(上海交通大學 機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240)

隨著對沖擊防護結構設計要求的不斷提高，工程界試圖尋求抗沖擊性能優(yōu)良結構以滿足不同需求。而夾層結構因具有輕質、比強度高、比剛度大、能量吸收及減振良好等優(yōu)異性能廣泛用于航空航天、船舶等沖擊防護領域。

1849年Fairbairn首次描述了夾層板結構概念。夾層結構一般由兩層高強度薄面板與中間承載能力相對較弱的輕質厚芯層通過焊接或膠接而成。面板提供結構較高的抗彎曲、拉伸強度，承受由彎矩引起的面內拉壓載荷，而芯層主要承擔由橫向力產生的剪應力。通過調整上下面板間距，可增大結構截面慣矩，提高抗彎剛度。夾層結構的首次應用為二戰(zhàn)中盟軍蚊式轟炸機機身。60年代初用BALSA芯材與玻璃鋼面板制造帆船甲板。1969年用鋼面板鋁蜂窩芯夾層結構制造美國阿波羅號宇宙飛船太空艙。波音747客機機身的圓柱殼結構則用Nomex材料蜂窩夾層結構。瑞典皇家海軍護衛(wèi)艦采用片狀構造的丁二烯蜂窩夾芯材料［1－2］。

沖擊通常為瞬時、高度非線性復雜問題，涉及碰撞、水下爆炸、空氣爆炸等沖擊載荷。響應不僅需考慮如沖擊波入射、反射、繞射、流固耦合相互作用，亦受應變率、慣性效應及材料初始缺陷等因素影響。解析方法可方便進行參數(shù)研究及定量分析。但建立精確的動態(tài)響應力學模型較困難。隨著計算機技術的發(fā)展，建立在連續(xù)介質力學守恒方程基礎上的數(shù)值仿真已成為研究沖擊問題重要手段，而實驗是研究此類復雜問題最可靠途徑。夾層結構種類及應用領域等均較廣，本文通過回顧對夾層結構沖擊動力學的研究進展，分別從理論建模方法、變形失效、流固耦合效應、芯層結構形式及設計參數(shù)等五方面對其進行分類論述，并展望其研究方向。

1 理論建模方法研究現(xiàn)狀

理論模型從彈道沖擊響應到空氣爆炸、水下爆炸沖擊響應，由于結構復雜，理論模型可作一定簡化與假設，忽略細節(jié)，此只限于多自變量平面問題。隨著理論的深入，簡化減少，所能討論方面越多，芯層結構形式更復雜，結果也更精確。通常采用彈簧質量單元、能量平衡原理、哈密爾頓原理、剛塑性理論及非線性高階夾層板理論，并采用不同方法共同求解。

本文按理論建模方法進行闡述。Taylor分析受指數(shù)型爆炸沖擊波作用下夾層板一維動響應。Zhu等［3］基于單自由度系統(tǒng)概念并用完全塑性階段設計法預測結構動響應。Nettles等用彈簧質量模型研究碳纖維/環(huán)氧基樹脂面板蜂窩結構的低速沖擊。Deshpande等［4］在忽略芯層材料應變硬化基礎上用集中參數(shù)模型及有限元法分析泡沫夾層板一維水下沖擊響應。Tilbrook等［5］建立夾層梁沖擊響應的集中質量模型，并定義行為的四個階段，同時提出階段分配圖。Castanie等［6］調查了用彈簧單元建立Nomex蜂窩芯層的有效性范圍，并用Mindlin板單元與非線性彈簧多級方法建模。McMeeking等［7］建立水下爆炸考慮空泡影響、忽略微小慣性及芯層強化的金屬夾層板集中質量模型，該模型能較準確預測軟芯層夾層板的濕面板速度響應，但對薄面硬芯層則應力差異較大。Andrews等［8］用單自由度質量彈簧系統(tǒng)建立夾層板模型，提出復合面板輕木芯層與PVC泡沫夾層板在空爆下的失效模式圖。

Abrate建立了預測泡沫夾層梁在低速沖擊下的能量平衡模型，并研究不同材料特性對響應影響，該模型能精確預測最大沖擊力。Fatt等基于能量觀點提出蜂窩夾芯結構三階段破壞模型，并給出彈道沖擊極限的解析解。Skvortsov等利用能量守恒原理在彎曲、剪切變形基礎上建立處理彈道沖擊中能量分配的解析模型。Hazizan等用能量平衡模型預測鋁蜂窩夾層結構低速沖擊響應。Zhu等［9］基于能量平衡理論與假設的位移場分析正方形蜂窩與鋁泡沫夾層板爆炸響應。劉均考慮膜力影響，運用能量守恒與剛塑性材料模型給出了夾層板殘余變形的近似計算公式。Qin等［10］依據能量平衡原理，計及幾何大變形效應與芯材強度影響，利用夾芯截面屈服條件將考慮軸力影響的膜力因子引入夾芯梁小撓度動力學方程，獲得兩端固支超輕金屬夾芯梁的大撓度動力響應解。Zhu等［11］用Jones建立的整塊正方形板能量耗散率平衡法，據彎矩、薄膜力夾層板屈服條件，預測夾持正方形蜂窩芯層與鋁泡沫芯層夾層板的爆炸響應，并獲得最大彎曲、響應時間的上下界。Yi等［12］在文獻［4］基礎上用動力守恒取代能量平衡方法建立芯層壓縮模型，分析了蜂窩及分層夾層結構的沖擊響應，該模型提高了預測前面板及芯層壓實區(qū)域邊界處最大橫向撓度精度。張濤基于Mindlin板理論的撞擊動響應模型對碳/環(huán)氧層面板Nomex蜂窩夾芯板進行撞擊響應計算，并采用雙質量彈簧計算撞擊力。Hause等基于擴展的伽遼金法、拉普拉斯變換及夾層板線性理論，獲得各向異性薄面板與正交各向異性芯層夾層板爆炸沖擊響應封閉形式解。Li等［13］用非線性高階芯層理論，假設面板與芯層完全粘合，用哈密爾頓原理建立運動方程，研究了簡支正交各向異性復合夾層板在橫向載荷作用下的響應。Joseph等［14］將前后面板視為剛體，用R－P－P－L連續(xù)理想模型建立芯層，建立了空氣爆炸下的蜂窩夾層板模型。Liu等［15］將頂面板處理為獨立板，芯層用理想彈塑性基礎建模，建立了完全背支撐夾層板在局部沖擊下的彈塑性響應解析模型。Li等在準靜態(tài)彎曲實驗基礎上，引入彎矩、彎曲鉸鏈旋轉角間簡化關系，提出簡支復合夾層梁在跨距中點受質量塊沖擊的彈塑性模型。Zhang等［16］在Fleck的夾芯板爆炸變形三階段簡化模型基礎上，用考慮芯層強度的拉彎屈服條件及修正的哈密爾頓原理，建立了剛塑性動力分析模型，給出固支鋁蜂窩夾芯塑性響應解析解。Fleck等建立了考慮流固耦合效應的夾持夾層梁水下爆炸解析模型，該模型將響應解耦為三個連續(xù)的階段。Yang等用厚度方向上位移非線性衰退的彈性基礎建立芯層，結合赫茲接觸定律提出在兩參數(shù)芯層彈性基礎上的剪切變形層壓面板模型，模擬復合夾層結構非線性沖擊響應。諶勇等［17］利用應變能等效原理推廣金屬格架夾層板結構大變形均勻化方法，改進廣義力求取形式，分析兩種三維格架芯層結構的爆炸大變形響應。結果表明，均勻化方法計算效率較純有限元模擬有較大提高，且具有相當精度。

2 變形失效研究現(xiàn)狀

結構損傷會大幅降低拉伸、壓縮、彎曲強度，直接影響其完整性及安全性。因此，研究結構受沖擊損傷及破壞機理非常重要。變形失效研究主要集中在外觀損傷、面板芯層損傷等與沖擊能量關系、殘余抗壓強度的影響因素、損壞形狀及拋射體形狀關系、損傷擴展過程、材料損傷情況與強度變化。失效形式主要包括整體失穩(wěn)、面板皺屈、剪切皺損、芯格內面板凹陷、芯子局部壓塌、面板破裂、橫向剪切破壞、纖維斷裂及基體開裂。

Rosenfeld等通過對碳/環(huán)氧基樹脂面板蜂窩結構進行重物下落沖擊實驗結果表明，損壞從芯層局部屈曲開始，高能量會造成復合面板分層損壞。程小全等用X光技術、熱揭層技術、斷面顯微技術及外觀檢測對低速沖擊后的復合材料蜂窩夾芯板損傷進行研究，并討論了外觀損傷、面板損傷、蜂窩損傷等與沖擊能量關系。Petra等調查了GFRP層壓面板Nomex蜂窩夾層梁的失效模式，建立三點彎曲載荷作用下的失效模式圖。程小全等對低速沖擊后的復合材料Nomex蜂窩夾芯板進行了純彎曲及準靜態(tài)橫向壓縮實驗。對板內損傷進行測量，討論了不同壓縮速度下接觸力與壓入位移的變化規(guī)律及損傷情況。Vaidya等研究內部中空E型玻璃/環(huán)氧基樹脂芯層夾層的低速沖擊響應表明，局部損壞受芯層層數(shù)限制，多層疊加是限制損壞的有效方法。孫杰等研究玻璃鋼蜂窩夾層復合材料抗爆性能表明，在爆炸荷載未達極限荷載前，結構局部屈服破壞并不影響其承載能力與整體穩(wěn)定性;達極限荷載時，結構呈現(xiàn)局部脆性破壞。Davies等研究碳/環(huán)氧基樹脂面板鋁蜂窩芯層夾層板的低速沖擊壓縮行為及損壞表明，厚面板薄芯層結構可較好吸收能量，而薄面板厚芯層沖擊壓縮強度低，易被穿透。Aktay等通過用PAM－CRASH調查高速橫向沖擊下Nomex與PEI泡沫復合夾層板的損壞行為表明，PEI夾層板沖擊接觸力峰值與內能耗散較Nomex夾層板低。Dong等用表面接觸性爆炸實驗研究硬－軟－硬夾層板動態(tài)響應表明，損壞模式有爆炸凹坑、徑向破裂及圓周破裂。Tagarielli等［18］用金屬泡沫發(fā)射體對玻璃纖維乙烯樹脂面板PVC泡沫芯層、輕木芯層夾層梁進行沖擊實表明，PVC夾層梁失效包括芯層破裂及面板拉伸失效，輕木芯層夾層梁失效為面板與芯層的分層。張旭紅等［19］采用自行設計的沖擊擺系統(tǒng)考察鋁蜂窩夾芯板的爆炸響應，對夾芯板變形、失效模式進行了歸類及分析。Rice等研究X－cor夾層梁的三點彎曲破壞模式，建立了壓塌失效、面板失效及芯材剪切破壞的三種模型，并獲得失效圖。Theobald等［20］通過研究空氣爆炸下鋁泡沫及六邊形蜂窩夾層板響應表明，薄面板芯層變形趨向局部化，泡沫芯層脆性疲勞明顯，蜂窩芯層分離與開裂明顯。Buitrago等［21］通過用 ABAQUS模擬碳/環(huán)氧樹脂基面板與鋁蜂窩夾層結構的高速沖擊穿孔表明，面板主要失效為纖維損壞，芯層失效為蜂窩墻塑性變形。Radford等［22］經測量金屬泡沫拋射體在不銹鋼面板鋁合金泡沫芯層夾層板跨距中點加載的動態(tài)響應表明，塑性鉸的出現(xiàn)使動態(tài)載荷下的變形模式與準靜態(tài)載荷下有很大不同。張旭紅等用LS-DYNA對鋁蜂窩夾芯板的動力響應進行數(shù)值仿真，考察炸藥起爆、接觸界面及上表面接觸力對夾芯板變形影響，獲得芯層的變形模式。Klaus等［23］試驗研究了玻璃纖維乙烯基酯面板閉孔PVC泡沫夾層板受局部爆炸載荷作用下響應，觀察到多種失效模式，包括前面板分層、纖維破裂、后面板塑性變形及穿透，并用理論梁模型估算分層、芯層壓縮、纖維破裂能量。Kassapoglou等調查低速沖擊對石墨/環(huán)氧基樹脂夾層結構抗壓強度影響表明，薄膜膠粘劑減少了損壞程度，增加了殘余抗壓強度?？荛L河用當量分層模擬Nomex蜂窩夾芯板低速沖擊損傷，用損傷當量法計算蜂窩夾芯板剩余壓縮強度。Steeve等［24］通過預測復合面板聚合物泡沫夾層梁在三點彎曲載荷作用下倒塌強度表明，該模型較夾層梁模型預測精度高。Aminanda等［25］通過模擬球狀壓頭橫向載荷作用下金屬面板Nomex蜂窩芯層夾層結構的沖擊行為，較好預測了殘余強度及橢圓形變化殘余壓痕，并提出結構的失效準則。周光明等［26］實驗研究整體中空夾層復合材料低速沖擊及沖擊后剩余強度，并獲得不同能量下材料損傷及強度變化曲線。謝宗蕻等采用解析法對低速沖擊損傷復合材料蜂窩夾芯板在面內單向壓載作用下的損傷擴展過程進行預測與分析表明，施加橫向拉伸載荷會延遲結構在縱向壓載作用下?lián)p傷的擴展過程，并提升結構殘余壓縮強度。Horrigan等對玻璃纖維加筋/環(huán)氧基樹脂Nomex蜂窩夾層結構進行低速沖擊實驗表明，軟拋射體產生芯層的淺擠壓，硬拋射體產生更深損壞，損壞形狀與拋射體形狀一致。Langdon等［27］通過用4點彎曲試驗及數(shù)值方法研究折疊芯層夾層板沖擊后殘余強度、評估碳纖維強化塑料面板紙折疊芯層夾層損傷容限表明，彎曲強度強依賴于樣品的沖擊損傷。

3 流固耦合效應研究現(xiàn)狀

當結構受沖擊波作用后，由于芯層快速大變形，流場中壓力分布發(fā)生改變，入射壓力波及反射波相互耦合，使流固耦合問題更加復雜。目前對金屬夾芯結構的抗爆規(guī)律研究表明，流固效應特點在水下爆炸較空爆下更明顯。其優(yōu)點有二:①芯層良好變形吸能特性能降低結構整體變形，可保護主結構;②前面板迅速移動使流固耦合機制下作用在結構上的入射沖量大幅降低。

Rabczuk等［28］研究考慮流固相互作用的夾層梁水下沖擊響應，經計算知，最初流固作用階段與隨后芯層壓縮階段的交叉耦合增加了傳遞給夾層梁的沖擊力，導致更大變形。Xu等用ABAQUS研究金字塔桁架、正方形、折疊板金屬夾層板及整板受均勻沖擊的抵抗力;由于流固相互作用，傳遞到夾層板上的動量較傳遞到整板上少;正方形蜂窩、折疊芯層板較金字塔桁架芯層板表現(xiàn)好。Deshpande等［29］采用簡化的一維模型分析流固耦合與芯層壓縮階段相互耦合對響應影響表明，對具有高強度芯層的夾層梁而言，基于Taylor流固耦合平板理論所得初始沖量較實際值低20% ～40%，該方法高估了夾層結構減輕沖擊的優(yōu)勢，質疑的假設為流固相互作用階段從芯層壓縮階段中解耦。Liang等通過研究硬芯層、軟芯層夾層梁響應表明，軟芯層可大幅減度少沖擊的傳遞、后面板彎曲及傳遞給支撐的力，但爆炸沖擊后受面板拍擊影響，性能明顯降低。Wei等［30］對多層金字塔格子芯層夾層板進行水下爆炸試驗認為，夾層板代替實體圓筒可大幅減少沖擊?？到üΦ冗\用LS-DYNA分析不銹鋼面板Alporas泡沫鋁夾芯梁與同重量實體梁爆炸動響應得出，在不同沖量作用下，夾芯梁較實體梁更具抗爆能力。Chen等［31］對粘附聚合物覆蓋層的矩形金屬箱前后進行一系列水下爆炸實驗得出，橡膠軟芯層可大幅度降低結構的總入射沖量，能有效降低箱體加速度及應變峰值。McShane等［32］用ABAQUS分析正方形蜂窩及波浪型芯層夾層板的流固相互作用。芯層結構形式對動態(tài)壓縮強度及芯層壓縮自由度影響較大;增加爆炸沖擊時間常數(shù)，芯層結構在傳遞動量方面優(yōu)于整塊板性能降低。Makinen用一維有限差分法研究復合面板聚合物泡沫芯層夾層梁的流固相互作用。Kinen用數(shù)值法及有限元法研究簡化的一維夾層板水下橫向沖擊非線性響應，分析包括流體中空化現(xiàn)象的出現(xiàn)、空化區(qū)域、流固相互作用。諶勇等［33］對彈性泡沫芯層一維夾層結構受遠場水下非接觸爆炸時響應進行理論建模分析，采用集中質量法描述芯層的大變形;用分段模型描述考慮沖擊波入射、流體空穴、二次加載及結構回彈等一系列過程的流固耦合因素，并通過求解聯(lián)立微分方程組獲得結構的爆炸響應。Mori等研究了芯層相對密度為4%的不銹鋼方形蜂窩及金字塔折架夾層板在水下沖擊載荷作用下的響應特性，探討金屬夾層板與等質量實體板抗沖擊性能差異、夾層板破壞模式及有限元模擬結構響應的準確性。Tilbrook等［34］用ABAQUS分析正交各向異性粘塑性連續(xù)介質芯層夾層梁水下爆炸的動態(tài)響應表明，忽略流固作用的分析僅能提供后面板彎曲與支反力的評估。

4 芯層結構形式研究現(xiàn)狀

隨制造工藝的發(fā)展，芯層形式越來越多。夾層結構按芯層結構形式可分為連續(xù)型、離散型。按夾層數(shù)量可分為單層、多層。按夾層抗彎剛度強弱可分為剛夾芯、柔夾芯、半剛硬夾芯。芯層形式有泡沫(如聚氨酯泡沫、PVC泡沫)、蜂窩(如正方形、正六邊形、Nomex蜂窩、三角形、圓管)、金字塔、八面體網架、棱柱、波浪型等。而泡沫、蜂窩型應用最早、最廣泛。

任志剛等分析聚氨酯泡沫復合夾層板的抗爆特性，并與鋼混凝土板及混凝土板進行了比較。Steeves等用ABAQUS研究受三點載荷作用的玻璃纖維/環(huán)氧基樹脂面板PVC泡沫夾層梁倒塌機理。Baral等［35］通過研究全厚度加筋夾層板的沖擊性能表明，碳纖維泡沫芯層夾層板較蜂窩芯層夾層表現(xiàn)更好。徐小剛等［36］用SPH單元與殼單元相結合方法對正六邊形蜂窩夾芯板進行了超高速碰撞仿真研究。Aktay等［37］研究高速沖擊下的PEI、Nomex蜂窩芯層夾層板表明，單元消除技術用于分析蜂窩芯層擠壓失效。Liew等［38］研究了中間用J型鉤子連接的混凝土芯層與鋼面板夾層梁的沖擊性能。Torre等研究了玻璃纖維聚酯基面板泡沫芯層和玻璃纖維苯酚基質面板波浪型芯層夾層結構的沖擊響應，波浪型結構較傳統(tǒng)夾層結構能量及強度吸收更好。Heimbs等［39］對編織加強芳族聚酰胺纖維鋸齒形芯層夾層結構在壓縮、剪切、沖擊下的力學性能進行評估指出，雙折疊芯層結構在吸能于殘余強度上具有優(yōu)勢。Xue等用ABAQUS對均勻分布爆炸載荷下的夾持圓形理想彈塑性材料正方形桁架夾層板進行初步評估認為，夾層板性能優(yōu)勢在小能量沖擊下更加明顯。Qiu建立了在中心小區(qū)域受沖擊載荷作用下整塊梁和蜂窩、金字塔、棱柱、金屬泡沫芯層夾層梁響應的解析模型。Rardford等［40］研究由金屬泡沫拋射體在不銹鋼整塊梁與夾層梁跨距中間加載的動響應表明，金字塔夾層梁的沖擊抵抗力最弱，波浪型、泡沫夾層梁最高。趙桂平等［41］用LS-DYNA分析三種夾層板的沖擊動態(tài)響應認為，在泡沫子彈沖擊下，泡沫金屬夾層板吸能量最多;在剛性子彈高速沖擊穿透下，格構式夾層板吸能性能較泡沫夾層板好，波紋形夾層板吸能最高。張健等［42］用MSC.Dytran研究水下爆炸載荷下離散型與緊密型圓管夾心板的吸能能力、加速度及變形量，離散型夾心板抗爆性能優(yōu)于緊密型夾心板與普通平板。王自力等［43］利用MSC.Dytran分析水下爆炸沖擊波載荷作用下V型、X型激光焊接夾層板的損傷機理，兩種夾層板流固耦合力減小、變形減小、吸能增加;并利用MSC.Dytran對三角形折疊式及四棱柱蜂窩式夾層板艦船雙層底結構進行仿真，對新式夾層板防護性能進行了評估。Wadley等［44］研究水下平面沖擊下剛性支撐正方形、三角形、多層金字塔桁架、三角形波浪及菱形波浪五種不銹鋼夾層板的壓縮響應表明，桁架及波浪型芯層強度更低。Jiang等用LS－DYNA分析聚合物復合層面板兩層蜂窩芯層夾層結構在低速沖擊下的芯層局部位移表明，兩層結構較單層結構局部破裂抵抗力更好。王宇新等應用沖擊載荷作用下材料動態(tài)本構關系對沖擊波在半無限長鋼面板多孔鋁3層介質中的傳播規(guī)律進行計算。Wadley等通過研究不銹鋼多層金字塔桁架夾層的爆炸壓縮響應人為，兩層芯層夾層板較單層芯層夾層板表現(xiàn)更好。Wang等［45］研究兩種泡沫芯層夾層結構的爆炸抵抗力及吸能表明，低密度/中密度/高密度布排的芯層結構較中密度/低密度/高密度布排的芯層結構抵抗力更好。中密度/低密度/高密度泡沫芯層結構變形能量稍大，但總能量損失及變形能量幾乎相同。Yang等［46］研究四種不同排列芯層圓形夾層結構在全局、局部爆炸載荷下響應，并考察聚脲彈性泡沫附加隔層對增強抗爆抵抗力、吸能、應力分布、損傷影響表明，附加層能防止剪切失效，應力分布更平穩(wěn)。Liu等［47］用有限元模擬不同梯度鋁泡沫芯層金屬夾層中空圓筒的空氣爆炸響應及抗沖擊性能，相同爆炸載荷下，梯度圓筒徑向擾度較非梯度圓筒小，抗爆性能更優(yōu)。Yungwirth等［48］評估了不同聚合物及陶瓷填充物在不銹鋼金字塔格子芯層夾層板穿孔抵抗力能力，并對不同方案填充的三維點陣夾芯結構抗彈道沖擊性能進行比較。田培培等［49］數(shù)值模擬了金屬泡沫及陶瓷填充金屬格柵波紋型、蜂窩型、加強六邊形結構沖擊。

5 設計參數(shù)對沖擊性能影響研究現(xiàn)狀

目前，有關結構設計參數(shù)對沖擊性能影響的研究主要集中在面板芯層厚度、芯層密度、芯層材料、內部芯層結構形式、應變率、曲率、粘性效應及微損傷。

Anderson等研究了石墨/環(huán)氧基樹脂面板泡沫芯層和蜂窩芯層夾層結構的低速沖擊損壞，認為厚面板高密度泡沫芯層增加了產生損壞所需能量。Liang等運用FDM、BPM算法并考慮結構屈曲及失效行為對金屬波浪型芯層夾層板爆炸進行優(yōu)化設計的結果說明，波浪支柱、波浪角、芯層厚度與波浪距是芯層屈曲強度重要設計參數(shù)，波浪支柱及面板厚度是面板軸向應力重要設計參數(shù)。Zhu等［50］研究了鋁合金蜂窩芯層夾層板的爆炸變形及破壞、面板厚度與芯層密度對后面板變形影響。宋延澤研究了泡沫子彈加載面積、芯層相對密度及芯層厚度對泡沫金屬夾芯板變形影響。Chi等［51］通過研究芯層高度、面板厚度對空氣爆炸下低碳鋼面板鋁蜂窩芯層圓形夾層板響應影響表明，增加芯層及面板厚度，可減少后面板變形。楊永祥等［52］采用MSC/Dytran模擬蜂窩夾芯層結構在橫向沖擊載荷作用下的漸進屈曲過程指出，密度是影響耐撞性能的關鍵因素，芯層高度對耐撞性影響不大。Wang［53］對紙蜂窩夾層板的沖擊行為及吸能進行動態(tài)緩沖實驗表明，增加芯層相對密度，能量吸收線性增加。芯層厚度對緩沖性能有上下波動影響，隨芯層厚度的增加，影響越弱。Rhodes對多種夾層結構進行沖擊實驗認為，增加芯層材料的擠壓強度可增加結構的沖擊抵抗力。Goldsmith等通過分別研究用球狀、圓錐、圓柱鋼拋射體垂直入射鋁及丙烯腈苯乙烯面板蜂窩芯層夾層板軸向穿孔特性及沖擊界限表明，面板主要抵制穿孔，沖擊界限不完全受復合物類型、孔尺寸或墻直徑影響。Park等［54］通過評價碳/玻璃和環(huán)氧基樹脂兩種面板類型的Nomex蜂窩芯層夾層結構低速沖擊損壞抵抗力人為，面板剛度越低，芯層厚度對抵抗力影響越大。Wang等［55］對纖維加筋層壓復合板及金屬鋁面板蜂窩芯層夾層結構進行的低速沖擊實驗表明，失效非常依賴于芯層急面板材料;編織玻璃/環(huán)氧基樹脂面板較金屬面板沖擊抵抗力更好?？到üΦ确治隽颂祭w維增強與否、在不同位置碳纖維增強層對泡沫鋁夾芯梁抗爆性能影響認為，碳纖維增強層可減小泡沫鋁夾芯梁下面板位移及芯材壓縮應變;爆炸荷載沖量越大，碳纖維增強層對抗爆性能提高越明顯。Tagarielli等［56］用 ABAQUS計算彈性面板彈塑性芯層夾層梁的動態(tài)沖擊響應，通過選擇高失效應變纖維合成物，可使梁的沖擊抵抗力增加到最大限度。康建功等［57］提出兩端固支泡沫鋁夾芯梁在跨距中間受沖擊作用下的動力響應簡化理論計算方法，并考查面板材料及芯材厚度對梁跨距中間位移影響。Nguyen等用Sandmesh預測低速沖擊下蜂窩芯層和折疊芯層夾層結構損壞，研究表明，材料動態(tài)行為對內部芯層結構形式敏感，直接關系到折疊芯層及面板的損壞程度。Karagiozova等［58］用 ABAQUS研究軟鋼面板鋁蜂窩芯層夾層板在均勻局部爆炸載荷下行為表明，傳遞到后面板的力依賴于載荷強度、芯層厚度、芯層結構形式。Hazizan等通過玻璃纖維/環(huán)氧基樹脂面板鋁芯層速度敏感度實驗發(fā)現(xiàn)，復合面板彎曲模量與鋁芯層剪切模量不能說明任意應變率敏感度。Qiu等用ABAQUS分析夾持夾層梁受沖擊載荷作用下動態(tài)響應認為，鋼的彈性與應變硬化對響應影響較小，芯層壓縮強度對響應影響有限。Radford等［59］用ABAQUS研究金屬泡沫芯層夾層板爆炸響應認為，在泡沫發(fā)射體大沖擊下，考慮應變率的模型對彎曲有點過預測，應變率對增加沖擊抵抗力起重要作用。Shen等［60］進行鋁面板鋁泡沫芯層彎曲夾層板在空氣爆炸載荷下強度實驗表明，彎曲夾層板的最初曲率會改變彎曲變形及倒塌模式。張明華等［61］通過測試不同子彈沖擊速度下純鋁板與泡沫鋁夾層板的抗侵徹性能表明，由于泡沫鋁的粘性效應及微損傷演化，應力波在夾芯板傳播過程中衰減現(xiàn)象明顯。

6 展望

為實現(xiàn)層次功能性，獲得更好的綜合力學性能，可采用由傳統(tǒng)蜂窩形狀周期性規(guī)則排列的組合蜂窩結構。考慮單層結構在對水下近距離爆炸防御的有效性，可通過設置多層結構減弱水下爆炸對內部造成的破壞。夾層結構中空芯層可為設計提供空間，在芯層孔隙中填充材料組成新型復合結構成為當前研究熱點。聚合物填充能衰減沖擊波透射;粘性物質填充能增強阻尼;泡沫填充能增強緩沖;硬質聚合物及陶瓷填充能增強抵抗沖擊侵徹穿透;增強技術能增強泡沫夾層結構層間強度、損傷容限及能量吸收性能。目前，夾層結構沖擊問題研究大多集中于梁、板等簡單結構。主要原因為由于分析復雜結構時，不僅需考慮結構的整體性，且因其特殊的變形機制，模擬代價較高。因此如何提高計算效率成為對真實結構分析的關鍵，可選擇均勻化等效方法。由優(yōu)化角度，需研究不同部位的材料屬性、結構形狀、尺寸對抗沖擊性能影響。同時研究參數(shù)與沖擊能量的具體關系，并優(yōu)化各組成部分能量吸收比例。另外，給定沖擊輸入，建立完整理論體系描述不同功能與設計參數(shù)的定量準則，須開展結構宏觀性能的多功能目標優(yōu)化研究。

7 結論

本文通過回顧國內外對夾層結構沖擊動力學研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，理論研究相對較少，主要以數(shù)值方法及實驗研究為主。數(shù)值仿真允許分析復雜邊界條件及材料行為，在理解結構變形失效機理、識別參數(shù)、預測內應力、應變等方面為有效工具，且精度較高。實驗研究能觀測變形過程，但要精確測量應力、應變尚不現(xiàn)實，且實驗技術難度大。而研究內容主要包括:響應階段、失效模式、損傷過程、能量吸收、流固耦合機制、流固耦合力、沖擊波傳播、空化效應、應變率強化、均勻化計算方法及面板材料、芯層厚度、相對密度、炸藥當量和填充材料等對抗沖擊性能影響，并以金屬材料為對象展開，對蜂窩、泡沫芯層研究較多。研究表明，夾芯結構抗沖擊性能優(yōu)異，抗爆抗沖擊性能優(yōu)于等質量均質板，將低強度泡沫鋁、聚合物和陶瓷等填入多孔材料復合結構能有效衰減沖擊波透射強度。但影響結構沖擊性能因素較多，機理較復雜，而三維拓撲結構會增加分析難度。結構壓縮強度及能量吸收性能主要依賴于破壞模式的芯層形式、相對密度及制作材料強度。

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