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導讀
薄壁結構材料因其優異的輕量化特性和能量吸收能力，被廣泛應用於航天、船舶、交通等工程領域，研究發現薄壁結構的橫截面幾何形狀直接影響了其能量吸收能力。其中，單壁結構在碰撞衝擊下存在不穩定的變形模式和較低的能量吸收率。因而，具有更高能量吸收效率與更強的耐撞性的多胞結構越來越受到廣泛關注。最近來自於華僑大學機械工程與自動化學院的Huichao Chen（第一作者）和Yong Zhang（通訊作者）及其團隊，在《Composite Structures》上發表了題為「Crushing responses and optimization of novel sandwich columns」的文章，該文提出了一種新的夾層結構設計方法，並設計了三角波紋夾層柱（TCSC）、四角波紋夾層柱（QCSC）、六角波紋夾層柱（HCSC）結構，同時對不同結構的破碎響應性進行了試驗及數值模擬分析。
內容簡介
由圖1（a）可以看出二維夾層的設計過程，兩條直線邊和一條曲線芯共同組成了夾層柱結構（圖1（b）），其中曲線芯由正弦函數組成。本文設計了三種結構的夾層柱材料，如圖2所示，夾層柱結構的外切圓直徑D均為80mm，分別為三角波紋夾層柱（TCSC）、四角波紋夾層柱（QCSC）、六角波紋夾層柱（HCSC）結構，並根據實際需求夾芯柱高度H設為150mm，以滿足車輛吸能器尺寸，如圖2（b）所示。
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（a）夾層柱的構成 |
（b）夾層柱結構 |
圖1 夾層邊緣的演化過程
圖2 （a）夾層柱的設計過程（b）車輛吸能器尺寸
圖3給出了三種夾層柱結構的有限元模型，並對其網格尺寸的收斂性做了分析，通過分析發現1.5 mm×1.5 mm的單元尺寸不僅計算精度高，而且計算成本低。本文夾層柱結構的材料是AA6061-O鋁合金，為了得到材料的相應力學性能，對其做了拉伸試驗，如圖4所示，並得到的鋁合金材料的應力-應變曲線，如圖5所示。
圖3 （a）夾層柱的有限元模型及（b）網格尺寸的收斂性分析
圖4 AA6061-O鋁合金的拉伸試驗
圖5 AA6061-O鋁合金的應力-應變曲線
有限元模型的準確性對數值分析的準確性有著極其重要的影響。由於鋁合金應變率敏感性較低，本文通過准靜態壓縮試驗驗證了有限元模型的可靠性，如圖6所示。為了進一步比較驗證，作者建立了具有相同幾何參數的TCSC和QCSC的有限元模型，並通過LS-DYNA進行了數值仿真，結果表明，兩者均表現出穩定的漸進變形特徵，破壞形態與實驗吻合較好。圖7進一步給出了TCSC和QCSC的力-位移試驗和有限元分析曲線對比圖，可以看出，試驗過程中不同結構的破碎荷載在坍塌過程中的波動範圍與模擬分析一致性較好。
圖6 TCSC和QCSC的准靜態破碎試驗
圖7 TCSC和QCSC的力-位移試驗和有限元分析曲線
不同幾何截面設計對材料結構的力學性能影響不同。以不同參數的HCSC為例，每一種夾層柱有25種幾何構型，如圖8所示，可以觀察到，正弦振幅A的增加會同時使內管尺寸減小，外管尺寸增大。TCSC和OCSC在截面上有相似的變化。為此，作者對三種夾層柱建立了75個有限元模型，所有夾層柱的高度為150mm，破碎距離保持高度的70%，內筒t3、芯筒tz、外筒t的厚度相同。通過調整壁厚，所有夾層柱的質量均相同（260.7g）。
圖8 HCSC的二維橫截面
圖9給出了HCSC、QCSC和TCSC三種結構的SEA分布圖，可以看出，三種結構的SEA均為單峰型，HCSC的SEA面位於QCSC和TCSC的上方，說明該夾層柱結構具有更好的能量吸收能力，同時其能量吸收也最穩定。圖10為三種結構的PCF分布圖，可以看出，三種結構的PCF均為單峰，但峰值出現在不同的位置。
圖9 夾層柱的SEA分布
圖10 夾層柱的PCF分布
同時，作者還對夾層柱構件（雙管和芯管）的SEA和PCF進行了定量分析，如圖11和圖12所示，結果表明，正弦波谷數N和正弦振幅A對雙管和芯管的SEA和PCF均有積極的影響。
圖11 HCSC的雙管和核心管的SEA
圖12 HCSC的雙管和核心管的PCF
圖13給出了三種夾層柱的CFE分布，發現CFE的分布與SEA的分布相似，HCSC的CFE高於其他兩種夾層柱。
圖13 夾層柱的CFE分布
圖14為基本摺疊元件在彎曲變形過程中的摺疊過程，簡化模型假設基本摺疊單元在軸向破碎過程中完全摺疊。
圖14 一種基本摺疊元件的理想摺疊過程
為了表徵材料膜能，將三種夾層柱分別分為2個面板角單元、4個面板角單元和2個曲面面板角單元，如圖15所示。
圖15 角元素及其變形模式
小結
本文設計了TCSC、OCSC和HCSC三種夾層柱，並採用理論預測、數值分析和最優化方法對其破碎性能進行了研究。可以得出以下結論:（1）芯筒參數A和N對夾層柱的破碎性能影響較大；（2）HCSC的SEA比TCSC和QCSC高出25.80%和15.02%；（3）通過SSFE獲得的理論模型可以準確預測夾層柱的MCF；（4）基於正交設計的離散優化方法可以快速得到最優參數的夾層柱結構。
原始文獻：Chen H, Zhang Y, Lin J, Zhang F, Wang Y, Yan X. Crushing responses and optimization of novel sandwich columns[J]. Composite Structures, 2021;263:113682.