《Materials Science and Engineering: A》：Improving impact resistance of thermal batteries through honeycomb buffering devices under high-speed collision conditions
via finite element simulation approach
编辑推荐：
热电池在高速冲击下的动态变形行为及缓冲结构优化研究。通过气枪测试与有限元模拟，分析铝蜂窝厚度（20mm与40mm）对冲击阻力和减速度的影响，发现40mm蜂窝吸能更优但减速度峰值降低效果有限。提出尼龙蜂窝替代方案，在保持吸能效果的同时显著减重并提升热性能，为先进弹道系统设计提供新思路。
Yeon Taek Choi|Jihye Kwon|Hyungu Kang|Minu Kim|Seung-Ho Kang|Heesook Roh|Sunghak Lee|Hyoung Seop Kim
韩国浦项科技大学材料科学与工程系，浦项 37673
摘要
在现代战场应用中，热电池对于确保导弹、火箭和炸弹等武器中电子设备的可靠性至关重要，它们必须能够承受高速加速过程中的严重冲击。本研究利用有限元方法（FEM）模拟，研究了装有铝（Al）缓冲装置的热电池的动态变形行为和抗冲击性能。模拟结果表明，蜂窝结构较厚（40毫米）的电池具有更好的能量吸收能力，最大减速度更低，而壁厚过大的电池则会导致最大减速度增加。为了解决与铝蜂窝结构相关的热损失问题，提出了单铸尼龙作为替代缓冲材料。尼龙蜂窝结构在抗冲击性能上与铝蜂窝结构相当，同时重量更轻，且具有更好的热保持能力，这突显了其在优化先进投射系统抗冲击性能、热保持能力和减重方面的潜力。
引言
热电池被广泛用作现代电子设备的电源，即使安装在导弹、火箭和炮弹等投射物上，也必须在极端冲击环境下可靠运行[1]、[2]、[3]。在发射过程中，投射物会经历数万G的减速，这可能导致热电池的关键内部组件（包括电极、电解质和端子）发生断裂和功能退化。因此，定量评估热电池的抗冲击性能并制定设计指南以提高其耐用性是国防和航空航天领域的重要问题。
在各种方法中，常用气枪测试来验证热电池的抗冲击性能[4]、[5]、[6]、[7]。在这种方法中，投射物通过高压氮气（N2）加速，并撞击目标（如铅（Pb）。尽管撞击方向与实际炮击不同，但该测试能够提供类似的减速响应。为了减少传递给热电池的冲击力，可以在投射物内部安装缓冲装置。典型的缓冲材料包括多孔铝（Al）泡沫和镍（Ni）泡沫，常用的结构形式有蜂窝状、凹槽状和金字塔状[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。Kim等人[13]通过Split Hopkinson压力棒（SHPB）测试表明，铝蜂窝结构具有更好的能量吸收性能。据报道，壁层较薄且腔体较大的蜂窝结构能够更有效地分散冲击载荷并通过渐进变形吸收能量。
然而，现有研究仍存在一些局限性。首先，SHPB测试适用于表征材料和服务的高应变率压缩性能，但无法直接再现毫秒级冲击和减速现象，也无法模拟实际碰撞中的投射物-目标相互作用。其次，尽管已有研究报道铝蜂窝结构在SHPB条件下的优异性能[13]，但很少有研究将蜂窝结构应用于气枪测试中，以定量分析投射物冲击过程中的减速曲线和能量吸收行为。第三，目前缺乏系统性的研究来探讨蜂窝结构的具体设计参数（如壁厚、高度和几何形状）对其冲击吸收性能的影响。这些限制阻碍了提高热电池抗冲击性能的设计基础建立。第四，气枪测试耗时且成本高昂，难以分析仅在几毫秒内发生的高度动态现象。为了解决这些问题，经常使用有限元方法（FEM）模拟，因为它们可以高效再现不同参数下的气枪测试条件，并提供热电池在高速冲击过程中的动态变形行为见解。
基于此背景，本研究结合气枪测试和装有蜂窝缓冲装置的投射物的FEM模拟，研究了热电池的变形和抗冲击性能。结果证实，FEM模型能够忠实再现实验观察结果，从而验证了其作为气枪测试补充工具的有效性。系统地阐明了蜂窝结构设计变量（如壁厚、高度和几何形状）对冲击响应的影响。研究结果表明，适当的结构设计可以延长能量吸收时间并有效降低峰值减速度。因此，本研究的重要性体现在两个方面：（1）通过整合实验和数值方法定量评估热电池的抗冲击性能；（2）阐明了蜂窝结构参数与冲击吸收性能之间的关联，为缓冲结构的最优设计提供了指导。
有限元方法（FEM）模拟
本研究使用商业FEM软件ABAQUS 2020及其显式求解器进行了全尺寸三维（3D）有限元方法（FEM）模拟。数值分析旨在预测和验证热电池在极端碰撞环境下的抗冲击性能，因为在这些环境下获取实验数据非常困难。图1a,b显示了模拟中的投射物，其中包括堆叠式热电池、绝缘体和不锈钢外壳
气枪测试模拟结果：投射物与Pb目标的碰撞
图2a-d显示了图1a,b中所示的以145 m/s速度移动的投射物与Pb目标碰撞的逐步模拟结果。模拟中的冲击速度设定为145 m/s，因为投射物-目标碰撞的严重程度由冲击前的最终速度决定。在实际气枪测试中，投射物的最终速度是通过安装在发射窗口的激光测速仪或高速摄像机测量的
蜂窝结构设计对装有热电池的钢壳抗冲击性能的影响
在气枪测试中，热电池及其外壳钢壳的变形和损坏会对其性能产生负面影响[4]、[5]、[6]、[7]。因此，开发提高这些组件抗冲击性能的方法至关重要。需要了解安装在热电池外壳下方的各种铝蜂窝缓冲装置在高速碰撞条件下的响应情况，以及最大减速度、能量吸收等因素的影响
结论
本研究通过高速FEM模拟研究了热电池的抗冲击性能，重点关注蜂窝缓冲装置设计对其动态变形行为的影响。
1)为了评估热电池的抗冲击性能，进行了带有Pb目标的气枪测试模拟。比较了有无铝蜂窝缓冲装置时的减速度值，结果显示无缓冲装置时的最大减速度为46,677 G，而有缓冲装置时降至17,067 G
作者贡献声明
Jihye Kwon：可视化、软件开发、数据调查。Yeon Taek Choi：撰写初稿、可视化、方法设计、数据调查、概念构建。Sunghak Lee：撰写与编辑、数据验证、概念构建。Hyoung Seop Kim：撰写与编辑、数据验证、项目监督、资金筹集、概念构建。Seung-Ho Kang：数据验证、项目管理。Heesook Roh：数据验证、项目协调
数据可用性
由于技术或时间限制，目前无法共享重现这些研究结果所需的原始/处理数据。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国防发展机构（授权号UI2200321D）的支持；Yeon Taek Choi博士得到了教育部资助的“培养下一代研究人员”基础科学研究计划（授权号2022R1A6A3A13073824）的支持。实际的气枪测试由韩国大田的PGM R&D研究所（地址：Daejeon 34101）完成。
