董琳 彭瑞巖 張琪 洪玉儒 吳鶴翔*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

作為一種理想的能量吸收材料，多胞材料的力學(xué)性能同時(shí)受基體材料的力學(xué)性能和內(nèi)部微拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。近年來(lái)，六邊形蜂窩材料憑借微結(jié)構(gòu)彈塑性屈曲和脆性斷裂為特征的平臺(tái)變形特性被廣泛的應(yīng)用于各種能量吸收裝置中，成為研究熱點(diǎn)之一。

Gibson和Ashby通過(guò)對(duì)六邊形蜂窩材料單元孔穴的理論分析，給出了六邊形蜂窩材料的基本力學(xué)參數(shù)［1］。Karagiozova和Yu研究了規(guī)則六邊形蜂窩材料在面內(nèi)雙軸壓縮條件下的塑性變形模式［2］。Zheng等采用數(shù)值模擬的方法研究了胞元的規(guī)則性和沖擊速度對(duì)蜂窩材料變形模式和平臺(tái)應(yīng)力值的影響［3］。Zou等采用數(shù)值模擬的方法研究了不同沖擊速度條件下，六邊形蜂窩材料面內(nèi)沖擊壓縮前端的變形特征［4］。

隨著六邊形蜂窩材料在工程領(lǐng)域的深入應(yīng)用，以及工程要求的不斷提高，形狀記憶合金六邊形蜂窩材料力學(xué)性能的研究有待進(jìn)一步展開(kāi)。本文采用形狀記憶合金作為基體材料，分析研究了不同溫度條件，面內(nèi)沖擊作用下，形狀記憶合金六邊形蜂窩材料的變形響應(yīng)特性。

1 有限元模型

六邊形蜂窩材料在面內(nèi)沖擊載荷作用下的計(jì)算模型如圖1所示，六邊形蜂窩材料模型置于底端固定剛性板之上，頂端剛性板沿著Y方向以某一初始速度沖擊壓縮六邊形蜂窩材料。六邊形蜂窩材料在X方向兩端自由，沿Z方向設(shè)置固定約束以消除平面外的位移，保證模型處于平面應(yīng)變狀態(tài)。基體材料采用形狀記憶合金，建立六邊形形狀記憶合金蜂窩材料?；w材料參數(shù)如表1所示。

圖1 六邊形蜂窩材料的計(jì)算模型

采用非線性有限元軟件ABAQUS進(jìn)行蜂窩材料面內(nèi)沖擊動(dòng)力學(xué)特性數(shù)值模擬分析。選用S4R單元(4節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元)。為了保證計(jì)算精度，沿著殼的厚度方向定義5個(gè)積分點(diǎn)。在壓縮過(guò)程中所有可能接觸的表面定義為自由接觸表面，接觸摩擦系數(shù)為 0.2。

表1 六邊形蜂窩材料的基體材料參數(shù)

2 分析和討論

圖2給出了不同沖擊速度條件下，相對(duì)壓縮量為0.3時(shí)，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料在不同溫度下的變形模式。如圖2所示，在低速?zèng)_擊(V=5 m/s)和中速?zèng)_擊(V=30 m/s)條件下，與傳統(tǒng)六邊形蜂窩材料的變形模式不同，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的均勻變形，沒(méi)有產(chǎn)生明顯的“X”型和“V”型局部變形帶。在低速?zèng)_擊條件下，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的變形同時(shí)從沖擊端和固定端啟動(dòng)，隨著沖擊壓縮進(jìn)程，材料中間層部分的變形量比兩端略大，并先于兩端發(fā)生壓潰。在中速?zèng)_擊條件下，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的變形從沖擊端啟動(dòng)，隨著沖擊壓縮進(jìn)程，材料沖擊端部分的變形量比固定端大，并先于固定端發(fā)生壓潰。高速?zèng)_擊(V=200 m/s)條件下，與傳統(tǒng)六邊形蜂窩材料的變形模式相同，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料產(chǎn)生“I”型的局部變形帶，表現(xiàn)為由沖擊端啟動(dòng)并逐層壓潰至固定端的變形模式。這是由于沖擊速度超過(guò)“沖擊波”波速導(dǎo)致慣性效應(yīng)增強(qiáng)。此外，如圖2所示，溫度對(duì)六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的變形模式影響很小，可以忽略不計(jì)。

圖2 六邊形形狀記憶合金蜂窩材料在不同溫度下的變形模式

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立以形狀記憶合金為基體材料的六邊形蜂窩材料模型，研究了不同溫度和沖擊速度對(duì)六邊形形狀記憶合金蜂窩材料變形模式的影響。研究結(jié)果表明:與傳統(tǒng)六邊形蜂窩材料的變形模式不同，在低速和中速?zèng)_擊條件下，六邊形形狀記憶合金蜂窩材料的變形模式?jīng)]有明顯的初始變形帶，表現(xiàn)出相對(duì)均勻的變形特性。此外，溫度對(duì)六邊形形狀記憶合金蜂窩材料變形模式的影響很小，可以忽略不計(jì)。本文的研究為進(jìn)一步開(kāi)展蜂窩材料基體材料和微結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。