一类基于表面纳米化技术的新型填充式薄壁吸能结构设计

来源:用户上传      作者:周若璞 王伟 徐明朗 仝真真 张俊杰 周震寰

　　摘要：基于局部表面纳米化技术，本文提出一种适用于重型装备空投的新型缓冲吸能结构设计。与传统吸能结构设计方式不同，本文利用纳米化技术对金属薄壁结构进行局部改性，从而诱导其产生吸能效果最佳的变形模式，该设计方法具有无须改变结构形状、无附加质量等显著优点。首先，介绍了泡沫铝填充式薄壁金属方管的设计流程，并制作了相关试件。其次，基于有限元仿真和试验测试对局部表面纳米化布局进行了优化设计。研究发现，在结构几何尺寸一定的情况下，环向反对称布局方案为最佳设计，此时吸能结构呈现出稳定的渐进层叠的变形模式，形成的褶皱较其他方案更多。最后，进一步研究了表面纳米化对提升该类吸能结构吸能性能的作用机理，并分析了所设计的缓冲平台的吸能效果。结果表明，局部表面纳米化布局不仅提高了薄壁结构自身的吸能性能，同时增强了薄壁结构与泡沫铝之间的相互作用，从而大幅提高整体结构的吸能性能，并且该设计在多柱排列使用时，吸能效果得到进一步加强。
　　关键词：局部表面纳米化；泡沫铝；薄壁方管；准静态压缩；吸能；有限单元法
　　中图分类号：O313.4文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.05.012
　　空降作战是现代战争中一种十分重要的作战方式。随着现代科技的飞速发展，重型装备（简称重装）空投成为空降部队补充战力的首要选择。重装空投是指将重型装备（如装甲车、自行火炮等）通过大型运输机投放到预定地点的过程。重型武器的安全空投问题是当前该领域亟待解决的关键科学问题之一[1-2]。吸能装置是空投平台缓冲系统中的核心部分，其能量吸收性能关系到缓冲系统的整体安全效果。现有研究表明，经过合理设计的泡沫铝填充式薄壁管件具有可控的变形模式和平稳的吸能曲线，是优异的缓冲吸能结构[3-4]。
　　目前，绝大多数重型装备的空投缓冲系统均采用组合式缓冲设计，通过降落伞、缓冲台等多种方法组合，确保空投的重型装备不受破坏。其中，缓冲台上部为钢制装载平台，用于搭载装备，下部排列多个泡沫铝填充式吸能柱，用于缓冲吸能（见图1）[5]。因此，对吸能柱的吸能性能优化尤为重要。现阶段，国内外学者已经针对泡沫铝填充式薄壁管件的吸能效果和机理展开了全面研究。Hanssen等[6]研究了薄壁管件与泡沫铝之间的相互作用，发现该作用使整体吸能效果远超两者线性叠加效果。李思超等[7]进一步指出，泡沫铝与薄壁管之间的填充间隙越小，二者之间的相互作用就越显著。Duarte等[8]研究了泡沫铝填充式薄壁管的变形特征，发现泡沫铝通过抑制管壁向内屈曲形成褶皱，并使吸能过程趋于稳定。Taherishargh等[9]通过不同壁厚的填充管件的准静态压缩试验研究发现泡沫铝的填充对壁厚较薄的管件影响更显著。王巍等[10]分析了泡沫铝孔隙率、高径比、径厚比、界面结合状态和复合管层厚比等材料和结构参数对整体结构吸能特性的影响。朱翔等[11]研究了泡沫铝填充薄壁多胞构件和单胞构件轴向吸能性能。桂良M等[12]建立了吸能结构几何参数、相对密度及屈服极限与比吸能的关系。苏高峰等[13]发现开孔泡沫铝的吸能效率和理想吸能效率的最大值在随孔隙率变化的过程中存在峰值。李志斌等[14]研究了不同几何截面的泡沫铝填充薄壁夹芯管的变形模式和吸能性能。李志超等[15]通过试验和模拟研究了诱导结构的类型和数量对泡沫铝填充薄壁方管的轴向压溃变形模式和能量吸收能力的影响。
　　由现有研究可知，对泡沫铝填充装置进行变形诱导可以有效提高其整体的吸能效果。表面纳米化技术是近年来提出的一种新兴的提高金属材料性能的先进技术。通过合理的设计薄壁管件表面金属纳米化布局，可以有效控制其在轴向载荷作用下的变形模式。因此，本文将局部表面纳米化技术引入泡沫铝填充式薄壁金属方管吸能结构设计中，通过设计薄壁方管的表面纳米化布局，提出一种全新的泡沫铝填充式方形薄壁吸能结构。
　　1重型装备空投缓冲台设计
　　本文采用泡沫铝填充方形吸能柱为基本吸能单元，进行重型装备空投缓冲台的设计研究。缓冲台通过吸能柱矩形阵列组合构成。泡沫铝填充式薄壁金属方管由方形金属管和泡沫铝组成。金属方管采用局部表面纳米化的304不锈钢材料，其材料属性见表1。泡沫铝孔隙率为60%，各项参数指标由准静态压缩试验测得[16]，其应力―应变曲线如图2所示，对应的等效弹性模量E=2.445GPa，弹性极限σe= 3.546MPa，平台应力σp=5.562MPa。
　　本文中的泡沫铝填充不锈钢方管加工过程如图3所示。具体过程如下：（1）选取两块80mm×80mm×0.7mm（长×宽×厚）的304不锈钢板，并对其进行局部纳米化处理；（2）将纳米化后的304不锈钢板折弯90°，并沿两侧边线焊接形成一个40mm×40mm×80mm的不锈钢方管；（3）将泡沫铝材料切割为40mm×40mm×75mm的立方体并将其内嵌于方形不锈钢管内，并令二者底部平齐。
　　本文采用吸收总能量和峰值荷载作为管件吸能特性的评价指标。
　　据资料显示[17]，重装空投允许的着陆冲击加速度为20～ 25g（g为重力加速度），本文取最小值20g计算。经计算，重型装备作用在单个吸能柱上的最大质量可达300kg，根据牛顿第二定律Fm=m（a+g）计算得到峰值力许用值约为61.7kN，本文取峰值力许用值为62kN，即所设计的单个吸能柱峰值力荷载不得高于62kN，以确保着陆时重型装备不受到过大的碰撞冲击。

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