周若璞 王偉 徐明朗 仝真真 張俊杰 周震寰

摘要：基于局部表面納米化技術(shù)，本文提出一種適用于重型裝備空投的新型緩沖吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式不同，本文利用納米化技術(shù)對金屬薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改性，從而誘導(dǎo)其產(chǎn)生吸能效果最佳的變形模式，該設(shè)計(jì)方法具有無須改變結(jié)構(gòu)形狀、無附加質(zhì)量等顯著優(yōu)點(diǎn)。首先，介紹了泡沫鋁填充式薄壁金屬方管的設(shè)計(jì)流程，并制作了相關(guān)試件。其次，基于有限元仿真和試驗(yàn)測試對局部表面納米化布局進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)幾何尺寸一定的情況下，環(huán)向反對稱布局方案為最佳設(shè)計(jì)，此時(shí)吸能結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的漸進(jìn)層疊的變形模式，形成的褶皺較其他方案更多。最后，進(jìn)一步研究了表面納米化對提升該類吸能結(jié)構(gòu)吸能性能的作用機(jī)理，并分析了所設(shè)計(jì)的緩沖平臺的吸能效果。結(jié)果表明，局部表面納米化布局不僅提高了薄壁結(jié)構(gòu)自身的吸能性能，同時(shí)增強(qiáng)了薄壁結(jié)構(gòu)與泡沫鋁之間的相互作用，從而大幅提高整體結(jié)構(gòu)的吸能性能，并且該設(shè)計(jì)在多柱排列使用時(shí)，吸能效果得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：局部表面納米化；泡沫鋁；薄壁方管；準(zhǔn)靜態(tài)壓縮；吸能；有限單元法

中圖分類號：O313.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.05.012

空降作戰(zhàn)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中一種十分重要的作戰(zhàn)方式。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，重型裝備（簡稱重裝）空投成為空降部隊(duì)補(bǔ)充戰(zhàn)力的首要選擇。重裝空投是指將重型裝備（如裝甲車、自行火炮等）通過大型運(yùn)輸機(jī)投放到預(yù)定地點(diǎn)的過程。重型武器的安全空投問題是當(dāng)前該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一[1-2]。吸能裝置是空投平臺緩沖系統(tǒng)中的核心部分，其能量吸收性能關(guān)系到緩沖系統(tǒng)的整體安全效果。現(xiàn)有研究表明，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的泡沫鋁填充式薄壁管件具有可控的變形模式和平穩(wěn)的吸能曲線，是優(yōu)異的緩沖吸能結(jié)構(gòu)[3-4]。

目前，絕大多數(shù)重型裝備的空投緩沖系統(tǒng)均采用組合式緩沖設(shè)計(jì)，通過降落傘、緩沖臺等多種方法組合，確保空投的重型裝備不受破壞。其中，緩沖臺上部為鋼制裝載平臺，用于搭載裝備，下部排列多個泡沫鋁填充式吸能柱，用于緩沖吸能（見圖1）[5]。因此，對吸能柱的吸能性能優(yōu)化尤為重要?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對泡沫鋁填充式薄壁管件的吸能效果和機(jī)理展開了全面研究。Hanssen等[6]研究了薄壁管件與泡沫鋁之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)該作用使整體吸能效果遠(yuǎn)超兩者線性疊加效果。李思超等[7]進(jìn)一步指出，泡沫鋁與薄壁管之間的填充間隙越小，二者之間的相互作用就越顯著。Duarte等[8]研究了泡沫鋁填充式薄壁管的變形特征，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁通過抑制管壁向內(nèi)屈曲形成褶皺，并使吸能過程趨于穩(wěn)定。Taherishargh等[9]通過不同壁厚的填充管件的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)泡沫鋁的填充對壁厚較薄的管件影響更顯著。王巍等[10]分析了泡沫鋁孔隙率、高徑比、徑厚比、界面結(jié)合狀態(tài)和復(fù)合管層厚比等材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對整體結(jié)構(gòu)吸能特性的影響。朱翔等[11]研究了泡沫鋁填充薄壁多胞構(gòu)件和單胞構(gòu)件軸向吸能性能。桂良進(jìn)等[12]建立了吸能結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、相對密度及屈服極限與比吸能的關(guān)系。蘇高峰等[13]發(fā)現(xiàn)開孔泡沫鋁的吸能效率和理想吸能效率的最大值在隨孔隙率變化的過程中存在峰值。李志斌等[14]研究了不同幾何截面的泡沫鋁填充薄壁夾芯管的變形模式和吸能性能。李志超等[15]通過試驗(yàn)和模擬研究了誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的類型和數(shù)量對泡沫鋁填充薄壁方管的軸向壓潰變形模式和能量吸收能力的影響。

由現(xiàn)有研究可知，對泡沫鋁填充裝置進(jìn)行變形誘導(dǎo)可以有效提高其整體的吸能效果。表面納米化技術(shù)是近年來提出的一種新興的提高金屬材料性能的先進(jìn)技術(shù)。通過合理的設(shè)計(jì)薄壁管件表面金屬納米化布局，可以有效控制其在軸向載荷作用下的變形模式。因此，本文將局部表面納米化技術(shù)引入泡沫鋁填充式薄壁金屬方管吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過設(shè)計(jì)薄壁方管的表面納米化布局，提出一種全新的泡沫鋁填充式方形薄壁吸能結(jié)構(gòu)。

1重型裝備空投緩沖臺設(shè)計(jì)

本文采用泡沫鋁填充方形吸能柱為基本吸能單元，進(jìn)行重型裝備空投緩沖臺的設(shè)計(jì)研究。緩沖臺通過吸能柱矩形陣列組合構(gòu)成。泡沫鋁填充式薄壁金屬方管由方形金屬管和泡沫鋁組成。金屬方管采用局部表面納米化的304不銹鋼材料，其材料屬性見表1。泡沫鋁孔隙率為60%，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)由準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)測得[16]，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示，對應(yīng)的等效彈性模量E=2.445GPa，彈性極限σe= 3.546MPa，平臺應(yīng)力σp=5.562MPa。

本文中的泡沫鋁填充不銹鋼方管加工過程如圖3所示。具體過程如下：（1）選取兩塊80mm×80mm×0.7mm（長×寬×厚）的304不銹鋼板，并對其進(jìn)行局部納米化處理；（2）將納米化后的304不銹鋼板折彎90°，并沿兩側(cè)邊線焊接形成一個40mm×40mm×80mm的不銹鋼方管；（3）將泡沫鋁材料切割為40mm×40mm×75mm的立方體并將其內(nèi)嵌于方形不銹鋼管內(nèi)，并令二者底部平齊。

本文采用吸收總能量和峰值荷載作為管件吸能特性的評價(jià)指標(biāo)。

據(jù)資料顯示[17]，重裝空投允許的著陸沖擊加速度為20～ 25g（g為重力加速度），本文取最小值20g計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，重型裝備作用在單個吸能柱上的最大質(zhì)量可達(dá)300kg，根據(jù)牛頓第二定律Fm=m（a+g）計(jì)算得到峰值力許用值約為61.7kN，本文取峰值力許用值為62kN，即所設(shè)計(jì)的單個吸能柱峰值力荷載不得高于62kN，以確保著陸時(shí)重型裝備不受到過大的碰撞沖擊。

2數(shù)值模擬

2.1有限元模型

本文基于有限元軟件Abaqus實(shí)現(xiàn)泡沫鋁填充不銹鋼方管的單軸壓縮數(shù)值模擬。具體如下。（1）在Abaqus中建立填充方管的模型，幾何尺寸與上一節(jié)試件相同。方管采用殼模型，泡沫鋁采用三維實(shí)體模型。（2）對賦予模型材料屬性，其中局部表面納米化處理部分和未處理部分賦予不同的材料屬性（參數(shù)見表1），并進(jìn)行相應(yīng)裝配。方管采用4節(jié)點(diǎn)曲面薄殼或厚殼（S4R），泡沫鋁采用8節(jié)點(diǎn)線性六面體單元（C3D8R）。模型的裝配透視圖及縱向剖面圖如圖4所示，模型下端邊界約束所有自由度，上端邊界約束其橫向位移及轉(zhuǎn)角自由度。（3）建立一個方形剛體重錘模型，賦予其恒定速度1.5m/s進(jìn)行單軸壓縮加載模擬。數(shù)值分析采用Abaqus/Explicit求解器進(jìn)行非線性屈曲分析，繪制出位移—壓縮力曲線，經(jīng)后處理得到屈曲吸能總能量及峰值力載荷，從而分析屈曲特性。

2.2試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，本文首先進(jìn)行了泡沫鋁填充未納米化不銹鋼方管的試驗(yàn)研究。不銹鋼方管和泡沫鋁塊如圖5（a）所示，其幾何尺寸和材料參數(shù)與第一節(jié)試件相同，組裝后的試件如圖5（b）所示。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試采用萬能電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，壓縮速率為6mm/min，試驗(yàn)測得的吸收總能量及峰值力載荷見表2。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，仿真模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，最大誤差不超過1%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬正確性，圖6給出了不同階段的數(shù)值模擬和試驗(yàn)觀測的結(jié)構(gòu)變形圖。從變形圖可以看出，數(shù)值模擬預(yù)測的結(jié)構(gòu)變形與試驗(yàn)觀測結(jié)果基本一致，充分說明本文提出的數(shù)值模擬方法可以有效預(yù)測該類填充式薄壁金屬方管吸能結(jié)構(gòu)的吸能參數(shù)和變形模式。

3局部納米化布局與吸能機(jī)理分析

3.1局部納米化布局設(shè)計(jì)

現(xiàn)有研究表明[18]，橫向條紋分布的表面納米化布局在吸能效果上要優(yōu)于縱向表面納米化布局，并且環(huán)向反對稱條紋布局的吸能性能要明顯優(yōu)于環(huán)向?qū)ΨQ條紋布局。因此，本文采用多條紋反對稱布局方案設(shè)計(jì)，三種反對稱條紋布局方案如圖7所示。

在Abaqus中，分別對采用上述三種方案的泡沫鋁填充不銹鋼方管進(jìn)行單軸壓縮模擬，計(jì)算得到的吸能指標(biāo)見表3。由表中數(shù)據(jù)可知，方案2對應(yīng)的吸收總能量較表2中未納米化泡沫鋁填充不銹鋼方管提升35.163%，較方案1和3分別提升4.607%和7.153%；峰值力載荷也有小幅上升，但是仍處于安全設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。由此可知，方案2為最優(yōu)局部納米化布局方案。為進(jìn)一步說明方案2的優(yōu)勢，圖8給出了三種方案所對應(yīng)不同階段的數(shù)值模擬變形圖，同時(shí)圖8給出了方案2對應(yīng)試件在單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中的變形圖。首先，通過對比圖8（b）和圖9可知，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，充分說明了仿真結(jié)果具有良好的正確性和可靠性。其次，從圖8中3種方案的變形圖可以看出，所有納米化填充方管均呈現(xiàn)出穩(wěn)定的漸進(jìn)層疊變形，而方案2對應(yīng)試件出現(xiàn)褶皺最多，即塑性鉸最多、泡沫鋁和管壁相互作用最強(qiáng)，因此其吸能性能最佳。

3.2局部表面納米化對填充方管吸能的影響

為分析局部表面納米化對泡沫鋁填充不銹鋼方管的吸能影響，考慮如下5個試件（見圖10）：（1）試件1：普通薄壁方管；（2）試件2：填充式薄壁方管；（3）試件3：三條紋納米化薄壁方管；（4）試件4：填充式三條紋納米化方管；（5）試件5：泡沫鋁。

對各試件進(jìn)行單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，對應(yīng)的吸收總能量和峰值力載荷見表4。其中，未納米化試件與泡沫鋁的相互作用結(jié)果由試件2減去試件1和試件5獲得，納米化試件與泡沫鋁的相互作用結(jié)果由試件4減去試件3和試件5獲得。

首先，通過對比表中數(shù)據(jù)可知，仿真模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，吸收總能量誤差均可控制在10%以內(nèi)，峰值力載荷的數(shù)值模擬值整體偏大，誤差主要由于數(shù)值模擬為了縮短步長，較試驗(yàn)的準(zhǔn)靜態(tài)加載提升了加載速度導(dǎo)致試件接觸反力增大。除此之外，試驗(yàn)中試件加工時(shí)產(chǎn)生的缺陷與偏差和材料的不均勻性，都是隨機(jī)誤差的主要來源。

其次，現(xiàn)有研究表明[7， 19]，在填充式薄壁管件中，管件與泡沫鋁存在相互作用，從而使得裝置吸能大幅提升。對比數(shù)據(jù)可知，未納米化試件與泡沫鋁相互作用提升吸收總能量為0.292kJ，吸收總能量提升36%；方案2納米化試件與泡沫鋁相互作用提升吸收總能量為0.389kJ，吸收總能量提升37%，顯著提升了裝置吸能性能。該現(xiàn)象說明局部表面納米化可以增強(qiáng)方管與泡沫鋁的相互作用。為了更加直觀地展示相互作用的增強(qiáng)情況，圖11給出了未納米化和納米化試件的吸能曲線數(shù)值模擬結(jié)果，其中陰影部分即為相互作用所提升的部分。此外，從試件1和試件3的結(jié)果可以看出，局部表面納米化大幅提高了不銹鋼方管的吸收總能量，提高了59%。為進(jìn)一步說明該現(xiàn)象，圖12給出了試件1～試件4的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)壓潰變形。從圖中可以明顯看出，采用方案2的局部納米化泡沫鋁填充試件形成更多的褶皺，因此吸能效果顯著提升。

4基于納米化技術(shù)的空投緩沖臺吸能分析

基于以上分析，我們采用具有三條紋納米化布局的泡沫鋁填充式方形管件作為緩沖臺吸能柱的最終設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步對緩沖臺的吸能效果進(jìn)行分析。以我國某型號裝甲車為例，其質(zhì)量為10.5t，車長5.53m，車寬2.8m。因此，我們選用6m×3m（長×寬）的矩形緩沖臺進(jìn)行模擬，吸能柱尺寸及加載條件與上文相同。由于整個緩沖臺計(jì)算量過大，本文僅選取由4個吸能柱組成的一個緩沖臺胞元進(jìn)行計(jì)算，如圖13（a）所示。為對比說明本文提出緩沖臺設(shè)計(jì)的吸能效果，圖13（b）給出了未納米化的普通緩沖平臺胞元。

5結(jié)束語

本文將局部金屬表面納米化技術(shù)引入填充式薄壁吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，成功設(shè)計(jì)出一類全新的泡沫鋁填充式方形薄壁金屬吸能結(jié)構(gòu)，并通過數(shù)值和試驗(yàn)研究獲得了最優(yōu)的局部表面納米化布局設(shè)計(jì)，揭示了其對整體結(jié)構(gòu)吸能性能的增強(qiáng)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：對于40mm×40mm×80mm（長×寬×高）的泡沫鋁填充不銹鋼方管，環(huán)向反對稱三條紋的布局方案為最佳局部納米化布局設(shè)計(jì)，該方案對應(yīng)的試件在壓縮過程中形成褶皺較其他方案更多；局部表面納米化增強(qiáng)了薄壁方管與泡沫鋁之間的相互作用，較未納米化填充吸能結(jié)構(gòu)提升了33%?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)的納米化重型裝備空投緩沖臺，相較于普通緩沖臺吸收能量提升了41.76%，有效提高重型裝備的空投安全性。此外，相比現(xiàn)有吸能結(jié)構(gòu)，本文提出的設(shè)計(jì)方法無須改變結(jié)構(gòu)形狀，無附加質(zhì)量，可擴(kuò)展至其他航空航天器吸能結(jié)構(gòu)、著陸緩沖系統(tǒng)等設(shè)計(jì)中。

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A New Design of Filled Thin-Wall Energy Absorbing Structure Based on Surface Nanocrystallization Technology

Zhou Ruopu1，Wang Wei1，Xu Minglang1，Tong Zhenzhen2，Zhang Junjie1，Zhou Zhenhuan1

1. State Key Laboratory of Structure Analysis of Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

2. Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China

Abstract： Based on a local surface nanocrystallization technology， a new heavy equipment airdrop buffer system is proposed. Unlike the conventional design method of energy absorption structures， a surface nanocrystallization technology is employed to achieve the locally modification of thin-walled metal structures， therefore the deformation exhibiting the best energy absorbing performance occurrs. This design method has significant advantages such as unchanged structure shape， no additional mass. In this paper， firstly， the design process of aluminum foam-filled thinwalled metal square tube is presented and some specimens are fabricated. Secondly， the local surface nanocrystallization layout is optimized based on finite element simulation and experimental test. It is found that， for a certain geometrical size， the circumflex antisymmetric layout scheme is the best design and the energy-absorbing structure presents a stable progressive cascade deformation pattern with more folds than other schemes. Finally， the mechanism of surface nanocrystallization on improvement of the energy absorption performance of such structures is further studied and the energy absorption performance of the proposed buffer system is investigated. The results show that the local surface nano-layout improves the energy absorption performance of the thin-walled structure as well as the interaction between the thin-walled structure and the aluminum foam， therefore the energy absorption performance of the whole structure is greatly improved. Furthermore， the energy absorption performance would be further enhanced by a combination of thin-walled structures.

Key Words： local surface nanocrystallization； aluminum foam； thin-walled square； quasi-static compression； energy absorption； finite element method