摘要： 為了有效模擬3D 打印點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)在彈丸沖擊下的損傷破壞行為，在近場動(dòng)力學(xué)微極模型中引入塑性鍵，構(gòu)建了適用于點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)的模型和建模方法，在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，模擬分析了低速和高速彈丸沖擊下點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)的損傷模式與破壞機(jī)理。結(jié)果表明：低速沖擊下3D 打印點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的破壞模式以局部塑性變形為主；高速沖擊下，破壞模式表現(xiàn)為潰裂、孔洞貫穿和碎片噴射，并伴隨著大范圍的塑性變形。低速沖擊下塑性變形范圍隨沖擊速度升高而增大，而高速沖擊下則相反。高速沖擊下，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的貫穿過程分為面板接觸、局部屈服、芯材壓潰、穿透4 個(gè)階段，彈丸經(jīng)歷了急-緩-急3 段減速過程，并對應(yīng)2 個(gè)加速度高峰，第2 個(gè)加速度峰值低于第1 個(gè)加速度峰值的50%；低速沖擊過程中，彈丸僅有1 次減速過程，加速度峰值隨沖擊速度的升高而增大，最終彈丸反彈。

關(guān)鍵詞： 點(diǎn)陣材料；夾芯結(jié)構(gòu)；近場動(dòng)力學(xué)；彈丸沖擊；損傷破壞

中圖分類號： O347.3 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13015 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

點(diǎn)陣材料是一種由周期性結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的材料，具有超低密度、高比強(qiáng)度和良好的吸能緩沖性能等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，點(diǎn)陣材料的制備變得簡單高效，更復(fù)雜精細(xì)的點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸得以實(shí)現(xiàn)，使得點(diǎn)陣材料朝著功能多樣性、材料多樣性以及多尺度的方向發(fā)展。在實(shí)際工程中，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)是最常用的結(jié)構(gòu)形式，一般由2 層面板夾持一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)陣材料組成，實(shí)體面板增強(qiáng)了點(diǎn)陣材料的力學(xué)性能，在航空航天、汽車、醫(yī)療與能源等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。點(diǎn)陣材料的力學(xué)性能對其應(yīng)用至關(guān)重要，目前，相關(guān)研究主要集中在彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)、抗侵徹性能等方面。其中，彈塑性力學(xué)性能是點(diǎn)陣材料最基本的性質(zhì)。點(diǎn)陣材料的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)受點(diǎn)陣胞元形狀、大小、排列方式等因素影響。冀賓等[3] 以點(diǎn)陣層數(shù)、點(diǎn)陣桿件長度、截面尺寸、傾斜度、胞元長細(xì)比等變量為優(yōu)化對象，提出了點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高了同等密度條件下結(jié)構(gòu)的承載力。樊永霞等[4] 采用電子束選區(qū)熔化技術(shù)制備了片狀三周期極小曲面（triply periodic minimalsurface，TPMS）點(diǎn)陣材料以及桁架類點(diǎn)陣材料，并對其開展壓縮試驗(yàn)，驗(yàn)證了片狀TPMS 點(diǎn)陣材料的力學(xué)優(yōu)越性。點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)在外力作用下可能會發(fā)生損傷和斷裂，這涉及到點(diǎn)陣材料的失效機(jī)理和斷裂行為，沖擊作用下夾芯結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)破壞、緩沖吸能和抗侵徹問題是研究的熱點(diǎn)[5]。程樹良等[6] 對X 型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究了沖擊速度、面板厚度等參數(shù)對沖擊性能的影響。時(shí)圣波等[7] 基于爆炸沖擊實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在強(qiáng)爆炸載荷作用下的損傷機(jī)理和失效模式，并采用數(shù)值仿真方法發(fā)展了其爆炸沖擊響應(yīng)預(yù)報(bào)模型。張振華等[8] 開展了球頭落錘沖擊試驗(yàn)，揭示了大質(zhì)量低速沖擊作用下金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的失效模式和緩沖吸能機(jī)理。很多研究采用試驗(yàn)或有限元模擬的方法探索輕質(zhì)多孔夾芯結(jié)構(gòu)的抗侵徹特性與耗能機(jī)理[9-12]。然而，有限元方法處理這類問題存在諸多局限性：點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)的沖擊破壞具有非連續(xù)性特征，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元方法難以精確描述材料界面、材料斷裂破壞等非連續(xù)性問題；點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)的破壞行為涉及多個(gè)尺度，即從微觀的胞元斷裂到宏觀的結(jié)構(gòu)崩塌，而有限元方法只能處理單一尺度的問題；點(diǎn)陣材料有復(fù)雜的幾何形態(tài)，高度依賴網(wǎng)格的有限元方法存在網(wǎng)格敏感性問題，甚至難以獲得理想的網(wǎng)格。綜上所述，亟需提出一種新的建模和數(shù)值模擬算法，進(jìn)一步研究點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)的沖擊破壞行為。

近場動(dòng)力學(xué)（peridynamics）是一種基于非局部理論的力學(xué)方法，可用于描述材料的彈塑性、破壞和斷裂行為[13-14]。與傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)不同，近場動(dòng)力學(xué)允許材料中的破壞自發(fā)從局部擴(kuò)散到整體，同時(shí)還能夠描述材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)以及界面的破壞與變形[15-16]。陳洋等[17] 采用近場動(dòng)力學(xué)研究了泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，結(jié)果表明，該方法在處理輕質(zhì)多孔夾芯結(jié)構(gòu)的破壞問題上具有一定的優(yōu)勢。近場動(dòng)力學(xué)可以很好地模擬材料裂紋擴(kuò)展、分支和局部擴(kuò)散等破壞行為，同時(shí)還可以考慮該行為的多尺度效應(yīng)和材料的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。目前，尚未見采用近場動(dòng)力學(xué)模擬點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)的相關(guān)報(bào)道。本文中，基于近場動(dòng)力學(xué)理論提出適用于點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)的建模方法，模擬分析彈丸沖擊下點(diǎn)陣材料夾芯結(jié)構(gòu)的損傷模式與破壞機(jī)理，以期為點(diǎn)陣材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論支持。