ABSTRACT

Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) method was employed to determine the compressive dynamic mechanical properties of three kinds of honeycombs, which were made of Al alloy 5052H18 with side lengths (b) of 1.0 - 1.83 mm, foil thicknesses (t) of 0.04 - 0.06 mm and relative densities (ρ) of 0.05 - 0.06. Results indicated that: at high strain rate, the dynamic stress-strain curves of the Al honeycombs show a general "three-stage" characteristic of porous materials. The densification strains are greater than 65%. The specific range of energy absorption is 3.32 - 5.03 MJ/m³, and the range of the maximum values of energy absorption efficiency is 0.65 - 0.7. Even though only the yield stress of the Al honeycomb with the shortest side length (1 mm) is greater than itself plateau stress, all the tested Al honeycombs have the character of strain rate sensitivity. The specific energy absorption and the energy absorption efficiency have no significant difference between the two Al honeycombs with the same ratio of side lengths/foil thickness (1.0 mm/0.04 mm, 1.5 mm/0.06 mm).

Keywords:Aluminum Honeycomb, Dynamic Mechanical Properties, Energy Absorption, SHPB

铝蜂窝材料动态压缩力学性能及吸能分析

唐  爽^1,2，邓运来^1,2，姜科达²，雷郴祁²，杨  昭²

¹中南大学材料科学与工程学院，长沙

²中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙

Email: tangshuang1998@163.com, luckdeng@mail.csu.edu.cn

收稿日期：2014年3月6日；修回日期：2014年4月2日；录用日期：2014年4月11日

摘  要

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术，研究了边长为1.0~1.83 mm，箔厚度为0.04~0.06 mm，相对密度为0.05~0.06的三种5052 H18铝合金蜂窝的动态压缩行为。结果表明：铝合金蜂窝在高应变率条件下动态压缩与其准静态压缩的应力–应变曲线均具有明显的多孔材料三阶段特征，其塑性屈服平台的应变量大于65%，单位体积吸能为3.32~5.03 MJ/m³，最大吸能效率为0.65~0.7。虽然只有边长为最小的(1 mm)铝蜂窝的失稳屈服极限应力明显高于稳态屈服平台应力，但三种铝蜂窝的稳态屈服平台应力均具有明显的应变率敏感特性，边长/箔厚相同的两种铝蜂窝(1.0 mm/0.04 mm, 1.5 mm/0.06 mm)的体积吸能与吸能效率差别不大。

关键词

铝蜂窝，动态力学特性，吸能特性，霍普金森压杆

1. 引言

在航天航空及武器防护等需求下，新型多孔材料的缓冲吸能特性的研究获得了广泛的关注[1] [2] 。铝蜂窝作为一种类似于自然界蜂窝形状的多孔材料，具有质量轻，比强度和比刚度高、消音和隔振性能好等特性。特别是铝蜂窝法向压缩过程中特殊的变形模式，通过蜂窝壁的塑性变形吸收大量的能量，缓和冲击力，其已大量应用于包装、重要设备的防护及结构体内部填充以及军事工程中[3] 。目前，已有对于铝蜂窝的静态及低速冲击下缓冲吸能作用研究[4] -[6] ，而在高速冲击载荷下，铝蜂窝动态力学性能及缓冲吸能特性的研究较少。本文采用大截面铝合金霍普金森压杆进行试验，对不同规格铝蜂窝施加冲击荷载，研究其动态力学特性与吸能缓冲性能，为其在缓冲和防护领域中的使用提供理论参考。

2. 实验材料和实验方法

实验用铝蜂窝，材质为铝合金5052H18，铝蜂窝试样的名义直径40 mm，不同蜂窝试样动态试验前、后的实物照片如图1所示。各试样的特征参数列于表1。从表1可以看出，蜂窝试样A、C的铝箔厚度相同，但试样A的边长大于C，其相对密度较小，为5%，试样C的密度为6.1%；尽管试样B、C的铝箔厚度、孔边长均不同，但其相对密度十分接近，仅相差0.1%。

本文动态压缩实验采用霍普金森压杆装置进行实验。同时为了更深入地认识铝蜂窝试样的动态压缩特性，在进行动态压缩实验同时，对与动态压缩试样相同特征参数的试样，进行了准静态压缩试验。准静态压缩实验在MTS 801型材料实验机上进行，通过控制压头的位移速度来控制试样的应变率，试样的应变率约为10⁻³ s⁻¹。为了便于标记，此后在铝蜂窝试样A、B、C的动态压缩试验结果及分析中分别标记为D-A，D-B，D-C；准静态压缩试验结果及分析中分别标记为S-A，S-B，S-C。

霍普金森压杆装置的实验原理是基于一维弹性应力波理论，通过应变片记录试件两侧杆上的的应力波来求得试件在高应变率下其应力随应变的变化，从而得到试件在高速变形下应力–应变关系曲线。本

图1. 3种规格铝蜂窝样品

表1.试样明细

图2. 准静态与动态应力–应变曲线

图3. 平台应力(a)及致密化应变(b)

图4. 铝蜂窝的吸能能力(a)、吸能效率(b)

4. 结论

(1) 边长1.0~1.83 mm，厚度0.04~0.06 mm，相对密度0.05~0.06的三种5052 H18铝合金蜂窝在高应变速率条件下动态压缩与其准静态压缩的应力–应变曲线均具有明显的多孔材料三阶段特征，即线弹性段，塑性屈服平台段及致密段。塑性屈服平台的应变量大于65%，体积吸能能力为3.32~5.03 MJ/m³，最大吸能效率为0.65~0.7。

(2) 在准静态压缩条件下，本文三种试验铝蜂窝的失稳屈服极限应力明显高于稳态屈服平台应力，在高应变率下，只有边长为1 mm铝蜂窝的失稳屈服极限应力明显高于稳态屈服平台应力；但三种铝蜂窝的稳态屈服平台应力均具有明显的应变率敏感特性，应是材料特性–孔格参数–空气压缩特性三者联合作用的结果。

(3) 铝蜂窝边长/箔厚相同的两种蜂窝(边长1.0 mm/箔厚0.04 mm，边长1.5 mm/箔厚0.06 mm)，其体积吸能能力与吸能效率差别不大，在对动态失稳屈服极限没有明确要求的情况下，可相互代换使用。

5. 展望

本文采用大直径分离式霍普金森压杆装置对铝蜂窝动态压缩力学特性和吸能性能进行了研究，但是由于高应变速率下无法直接观察到铝蜂窝微观变形过程及变形过程中应力在蜂窝孔格壁的分布状态，对铝蜂窝动态应变率敏感特性的作用机理研究不够透彻，在下一步的工作中，希望结合有限元数值模拟方法，对铝蜂窝动态应变率敏感特性中材料特性、孔格参数、空气压缩特性的作用机制进行深入研究。

基金项目

国家重点基础研究发展计划(“973”)项目(编号：2010CB731700，2012CB619500)；高性能复杂制造国家重点实验室(中南大学)资助项目(编号：zzyjkt2013-03)。

参考文献 (References)