王維峰，石衛(wèi)兵

（中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心，山東 青島 266111）

鋁蜂窩夾芯板是一種以正六邊形蜂窩鋁材料作為芯層，鋼板材料作為面板設計制作成的復合結構材料，這種結構既能發(fā)揮蜂窩結構自身優(yōu)良的性能，也解決了純蜂窩鋁強度低的問題。蜂窩材料作為多孔材料，具有優(yōu)良的吸能、隔熱、降噪以及抗沖擊等特點[1，2]，同時具有比強度大和比剛度大的特性，因此在軌道列車、飛機制造上均有廣泛應用。

建筑材料的抗沖擊能力是評價其品質的重要指標。在選擇產品材料和進行產品設計時，沖擊強度往往起著決定性作用。許多材料諸多性能優(yōu)越，但并不受歡迎，其主要原因是在規(guī)定的沖擊負荷下有脆性斷裂的風險，因此對鋁蜂窩夾芯板進行抗沖擊性能的研究顯得尤為重要。

對鋁蜂窩板的抗沖擊試驗一般以落錘與落球沖擊為主[3-6]，二者有共同特點，即不同材料產生裂痕所需能量不同，試驗時若球（錘）重量不變，則可在不同高度下進行試驗，從而獲得不同沖擊速度。其中落錘沖擊試驗具有加載過程平穩(wěn)、可靠性高、測量手段直接等優(yōu)點，并可以直接獲得沖擊力的時程曲線，而落球對鋁蜂窩夾芯板沖擊力的測量目前多通過數(shù)值模擬的手段來進行。如王堃[8]等利用ANSYS有限元軟件模擬分析了小球低速沖擊對蜂窩鋁板的損傷變形，以及在沖擊條件不變的情況下，研究了蜂窩鋁板結構參數(shù)（蜂窩芯邊長、蜂窩芯壁厚、蒙皮板厚）對沖擊變形以及吸收能量的影響。鄭華勇[9]等利用瞬態(tài)動力學分析軟件對提出的一種新型夾芯板進行數(shù)值計算，得出芯子密度為0.1時整個結構的抗沖擊能力最強的結論。夏志成通過落錘沖擊試驗對鋼板夾泡沫鋁夾芯板進行試驗研究，測得了上、下面板的變形值，卻沒有采用試驗的方式測取沖擊力。目前僅通過試驗方法測得沖擊力的研究少之又少，本文通過規(guī)格相當?shù)穆溴N、落球試驗相結合的方式，研究鋁蜂窩夾芯板落球沖擊產生的凹痕深度與沖擊力大小以及落球自由落體高度三者之間的關系具有十分重要的意義。

1 試驗研究

1.1 試驗設計

試驗采用的夾芯板長250mm，寬200mm，上、下面板分別為厚度1mm及0.5mm的低合金高強度鋼板。其中夾芯板的幾何尺寸見表1，鋼板與蜂窩鋁的接觸面采用環(huán)氧樹脂與固化劑按照一定比例混合粘結而成。

表1 鋼板鋁蜂窩夾芯板的材料參數(shù)

1.2 加載系統(tǒng)及測試方法

落錘、落球試驗加載及測量儀器的布置見圖1、圖2。夾芯板采用強力磁鐵塊固定在測試設備基座上。沖擊落錘總質量為2.6kg，錘頭直徑為50mm，落錘沖擊高度分別為0.45m、0.4m、0.3m；落球質量為0.5kg，落球直徑與落錘錘頭直徑一致，落球沖擊高度分別為2m、1.7m、1.4m。

圖1 落錘試驗裝置

圖2 落球實驗裝置

凹痕的采集使用激光位移傳感器（量程為8mm，精度為0.001mm），沖擊力的測試使用實時數(shù)據采集分析系統(tǒng)，從而獲得整個碰撞過程中沖擊力的時程曲線。

1.3 數(shù)據處理方法

由于橡膠層的存在，落錘和落球對蜂窩夾芯板的二次沖擊影響可以忽略不計。凹痕深度的采集在揭除橡膠層清理凹坑后進行，重復測量三次，取最大值作為凹痕深度。同時以采集系統(tǒng)測得的沖擊力時程曲線的峰值最大值作為落錘沖擊力點繪制成圖。

2 試驗結果及分析

2.1 落錘沖擊試驗結果

落錘沖擊后，沖擊高度與測得的上面板中心點凹陷值（凹痕深度）的關系見圖3。

圖3 落錘高度與上面板凹痕深度的關系曲線

由圖3可見：在落錘高度為0.3m～0.4m時，芯材蜂窩鋁處于線彈性階段，落錘高度與凹痕深度呈線性關系；在落錘高度在0.4m以上時，曲線斜率增加，上鋼板中心點凹陷速度加快，錘擊區(qū)鋁蜂窩芯材部分發(fā)生屈服，呈現(xiàn)為壓實狀態(tài)。

2.2 落球、落錘沖擊試驗結果對比分析

鋁蜂窩夾芯板上面板由沖擊引起的凹痕深度與落球、落錘高度的對應關系繪制成如圖4所示曲線。

圖4 落球高度與上面板凹痕深度關系曲線

從圖4可以看出，落球在1.6m～2.0m以及落錘在0.30m～0.38m高度范圍內產生的凹痕深度隨著沖擊體高度的增加而增加，二者呈線性關系。其中當落球高度為2.0m以及落錘高度為0.38m時，在鋼板上均產生1.99mm的凹痕。一般認為在鋼板上粘貼厚度為2.5mm橡膠地板布的情況下，質量為500g的Ф50鋼球從2m高處落下，當沖擊產生的凹痕深度小于2.0mm時，我們認為此種鋁蜂窩夾芯板達到了生產要求，而實驗結果與此要求吻合。從圖中亦可看出，由于落錘質量是落球質量的四倍，這就使得落球在高度為1.61m的情況下產生的凹痕與落錘在高度為0.3m時相同，說明了通過改變沖擊體的質量可以更充分地利用豎直滑軌。

2.3 落球試驗抗沖擊強度指標分析

沖擊力能夠更直觀地體現(xiàn)鋁蜂窩夾芯板的抗沖擊性能，我們一般把沖擊力作為夾芯板抗沖擊強度指標的重要依據。

圖5 沖擊力與凹痕深度的關系

由圖5可看出，規(guī)格相當?shù)穆淝蚺c落錘沖擊鋼板引起的凹痕深度與沖擊力呈正相關，關系如式1所示：

F=1140.9x+1305 （1）

由前面結論可知落球高度與凹痕深度呈正相關關系，由此可得沖擊力與落球高度也呈正相關關系，經過推導可得式2：

F=770.3h+2035 （2）

其中x代表凹痕深度，單位mm；h代表落球高度，單位為m；F代表沖擊力，單位N。

3 結束語

本研究通過落球、落錘試驗相結合的方法，重點研究了鋁蜂窩夾芯板的抗沖擊性能，完成了落球試驗中鋁蜂窩夾芯板抗沖擊強度的指標分析，具體結論如下。

落球在1.6m～2.0m以及落錘在0.30m～0.38m高度范圍內產生的凹痕深度與沖擊體高度呈正相關關系。經過推導可知，在一定范圍內，落球沖擊產生的總能量與落球高度呈正相關關系。