孟令辉

（聊城大学建筑工程学院）

0 引言

随着近年来意外撞击和恐怖袭击事件的频发，防护结构成为了公众关注的热点，对防护结构的抗冲击性能也提出了更高的要求，政府和工程界不断地关注冲击防护结构的设计，努力寻求兼有轻质和某些优良性能相结合的结构以满足不同的需求。由于夹层结构具有轻质、强度高、刚度大、良好的吸能减振和隔声等优异性能，自上个世纪四五十年代以来，被广泛应用于航空航天、船舶和建筑等冲击防护领域。图1 显示了从2013 年到2022 年十年间研究夹层板冲击性能的期刊数量。总体来看，夹层板的在国内外的研究热度不断上升，这也表明夹芯板的功能已经被发现和认可。

1 结构形式及材料

夹层结构是轻型的多功能复合结构，通过在两个薄而坚硬的表面之间嵌入一个承载力相对较为薄弱的轻质厚芯层而构成，面层-芯层界面是夹层结构中最薄弱的部分。粘合剂通常用在这个界面上，将上、下端面层与内芯粘合，图2 是一个典型的夹层结构[1]。

夹层结构中根据夹芯材料与结构形式的不同可以分为：泡沫夹层结构、蜂窝夹层结构、梯形板夹层结构和其他新型夹层结构[2]，见图3。构成结构的材料有金属、环氧树脂、聚氨酯泡沫、玻璃纤维、塑料、木材等。

2 冲击响应实验

Cheng Y 等人[3]研究了U 型波纹夹层板在不同冲击速度、不同位置下的板材的变形模式、荷载-位移变化阶段以及在整个冲击过程中夹层板的能量吸收情况，研究结果表明：夹层板呈现三个破坏阶段，夹芯层正面和芯材吸收了冲击的大部分能量。Wang Y 等人[4]将钢-聚氨酯泡沫-钢-混凝土-钢（SPUFSCS）面板分为“软”、“硬”两层的叠合夹层结构，通过落锤冲击系统研究其动力响应，研究结果表明：“软”层是整个面板承受冲击能量的关键之处，硬层则是衡量面板损坏水平的标准，板冲击力的增加速度与锤头接触板后的位移成反比，整个夹层结构表现出局部和整体变形的综合破坏模式。He W等人[5]对X-Frame 夹芯结构进行低速动态响应分析，并对不同面层材料进行比较，研究结果表明：复合材料夹层结构比铝制夹层结构更容易遭受冲击破坏，但在穿孔情况下，前者比后者吸收了更多的冲击能量，所以复合材料夹层结构具有更好的抗冲击能力。He W 等人[6]研究由CFRP 面层和铝合金波纹芯层组成的混合夹层结构的低速冲击响应和剩余抗弯行为，研究结果表明：破坏取决于冲击能量和冲击位置。即使冲击能量低于10J，残余抗弯强度也会明显下降，而随着冲击能量的进一步增加，残余抗弯强度也会略有下降。Meram 等人[7]重点分析芯/面界面性能对铝蜂窝夹层板的冲击响应的影响。使用五种不同的粘合剂连接芯层与面板，产生了五种不同的芯/面界面阻力，实验结果表明：界面阻力与破坏机制高度相关，通过使用高阻力的界面粘合剂，夹层板的脱粘面积、挠度减少，吸收的冲击能量增大。Liu Y 等人[8]研究在低速冲击情况下锥形、半球形和扁平的冲击器对波纹芯材夹层板抗冲击性能的影响。研究结果表明：较钝的冲击器产生较高的峰值力、较高的最大力。在非穿孔情况下，锥形冲击器冲击的样品吸收的冲击能量最大，扁平冲击器冲击的样品吸收的能量最小，在穿孔情况下则相反。Lu J 等人[9]研究了平钢板-混凝土-波纹钢板（FS-C-CS）夹层板的冲击响应，研究结果表明：面板的变形模式包括全局弯曲和局部压痕，夹层板的抗冲击性能随着波纹板高度和厚度的增加而普遍提高，变形量更小，冲击力和峰值后平均力更大。刘孙涛等人[10]对套管吸能层-加劲肋双钢板混凝土组合板的抗冲击性能进行研究。研究结果表明：所有加劲肋双钢板混凝土组合板均表现出整体弯曲和局部凹陷的组合变形模式，吸能层的存在能够显著减小套管吸能层-加劲肋双钢板混凝土组合板的冲击变形，并提高冲击承载。Zhang 等人[11]为了提高蜂窝夹层结构的抗冲击性，在蜂窝孔中填充了金属管，对蜂窝夹层结构的落锤冲击响应进行了实验研究。结果表明：管状填料的加入使前后面的应力和变形分布更加均匀，同时能更快地吸收冲击能量，并且正面和背面的最大挠度分别减少了18.6%和36.4%。Xue X 等人[12]研究带碳/玻璃纤维混合物面层的蜂窝状夹层在低速/重质量下的抗冲击性能，结果表明：不同蜂窝芯高度的蜂窝夹层结构的总破坏高度几乎没有变化，上层表皮所分担的冲击能量随着蜂窝核心高度的增加而增加。

根据以上所述总结了不同夹层板核心材料的优缺点，见表1，并对不同芯材的研究量作了总结，见图4。

表1 夹层板不同芯材的优点和缺点

3 理论建模方法

Crupi V 等人[13]基于能量平衡模型，利用断层分析对铝蜂窝夹层的冲击响应进行了研究，对其失效模式进行理论建模，从而预测夹层的失效机制。Alonso L 等人[14]提出了一个基于能量的理论模型，分析了带有PVC 可压碎泡沫核心的夹层复合材料结构在高速冲击下的性能。将能量吸收分为六个不同阶段，并有相应的能量吸收机制。Crupi d 等人[15]开发了一个分析模型，用于预测面层由玻璃纤维组成的铝制泡沫夹层结构在低速冲击下的峰值载荷，在能量平衡模型的基础上，用理论方法研究了三明治的冲击反应，模型参数是通过对被冲击的面板进行断层分析获得的。王哲等人[16]对V 型和U 型两种波纹夹层板进行建模，研究其在冲击载荷作用下的位移响应，并探究了有限元模型网格的敏感性。杨晶晶等人[17]建立了铝褶皱夹芯板低速冲击数值模型，探究几何参数的改变对夹层板抗冲击性能的影响，采用不同冲击能量进行仿真计算，在有限元模型中面板和芯层的铝合金采用各向同性弹塑性模型，为防止穿透，对模型定义了通用接触，采用与“面-面”接触相同的属性设置。

4 总结与展望

通过对夹层结构冲击动力学研究文献的调研发现，近年的研究以实验研究和数值模拟为主。实验研究能直接明了地观测变形过程、破坏模式，得出的数据更接近实际工况，可靠性更高。但由于结构本身的制造缺陷、测量仪器精度不足等客观原因导致存在误差，并且实验技术难度大，难以施加任意方向的荷载，受实验环境、实验设备限制较多，部分实际工况无法进行实验，实验的成本较高。数值模拟能够分析不同边界条件及材料行为，预测内力、应变等，且精度较高，数值模拟灵活性高，可以对结构的各个测点、各个区域进行全角度分析。但由于有限元软件的数据库不是很完善，数值模拟能够采用的模型仍然存在局限性，同时模型的材料特性难以完全契合实际材料属性，而且在模拟过程中需要对结构进行简化计算。

夹层结构质量轻、抗冲击性能好、使用灵活、性价比高，对于预防意外撞击、防止连续性倒塌、保障人员生命安全具有重要作用，夹层结构作为一种轻质高效结构在建筑领域得到了广泛应用，但其性能受材料的限制较大，所以在未来发展过程中，要重点关注夹层结构材料的使用性能，通过寻找更加轻质、高强的材料去提高夹层结构的发展空间。