填充有剪切增稠流体的夹层格子板的爆炸响应

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Blast response of shear-thickening fluid-filled sandwich lattice panels

　　

Z.P.顾|F.C.钟|C.G.黄|X.Q.吴

中国科学院力学研究所，北京100190，中国

摘要

剪切增稠流体（STF）填充材料在防护结构中具有很大的潜力，但现有的研究主要关注其速率依赖的粘度特性，而状态方程（EOS）控制的压缩性在冲击波缓解中的作用尚未得到充分研究。本研究通过实验和流体-结构相互作用（FSI）模拟，探讨了含有STF的夹层板（SPLTC-STF）对冲击波的响应。研究人员合成了硅基聚乙二醇STF，并使用基于速率依赖粘度的模型结合Mie-Grüneisen状态方程对其进行了建模。激光诱导冲击测试验证了该流体层FSI模型的准确性，而接触TNT冲击测试则对含68 wt.% STF的SPLTC进行了面板级验证。基于这一验证结果，预测性模拟表明，流体填充材料引入了体积缓冲效应，将空SPLTC的单一加速度峰值分解为冲击波主导的峰值和体积恢复峰值。与这一结果一致的是，在所研究的填充材料中，68 wt.% STF的冲击波缓解效果最佳，其峰值动能相比空SPLTC降低了约56%。零粘度STF和蜂窝状芯材的对比实验表明，EOS控制的体积缓冲、与粘度相关的耗散以及芯材拓扑结构都对冲击波缓解有贡献。Hugoniot状态方程参数的研究进一步表明，降低截距C₀或提高斜率S₁可以提升SPLTC-STF的冲击波缓解性能。

引言

冲击波威胁对航空航天、车辆和防护系统构成了重大挑战[1,2]。近场爆炸会产生具有极高峰值压力、快速上升时间和短暂持续时间的脉冲载荷[2,3]，这可能导致局部凹陷、整体弯曲和渐进性破坏[4,5]。轻质夹层结构（由刚性面板和低密度芯材组成[6,7]）因其高比刚度、强度和能量吸收能力而被广泛用于冲击波防护[8]。大量研究探索了不同的芯材拓扑结构，包括多层蜂窝结构、优化晶格结构（这些结构能提高能量耗散[9,10]），以及波纹状[11,12]、管状[13]和泡沫填充[14]芯材（这些结构能增强垂直于平面的抗冲击能力）。Slimani等人[15]和Soltan Arani等人[16]将夹层结构建模扩展到了功能梯度夹层壳体和磁流变智能面板。Vasudevan和Ramamoorthy[17]研究了纳米增强复合材料，而Belabed等人[18]开发了用于结构评估的精细有限元公式。然而，在强烈冲击波作用下，应力集中和破坏局部化问题仍然存在，这凸显了需要补充几何设计的冲击波缓解机制[9,14]。在芯材中引入功能性、速率自适应材料是一种有前景的策略。其中，剪切增稠流体（STF）引起了广泛关注[19,20]。

剪切增稠流体（STF）是由微米或纳米级颗粒分散在载体液体中的非牛顿悬浮液[21,22]。当剪切速率超过某个临界值时，其表观粘度可增加几个数量级，从而在动态载荷下实现速率自适应的耗散[23,24]。Cui等人[25,26]在低冲击速度下观察到力链网络的形成，这显著提高了材料的抗冲击能力。Yao等人[27,28,29]通过落重实验观察到堵塞区域的发展，并表明冲击衰减取决于流体厚度和冲击器几何形状。最近，Wu等人[30]报道了一种基于离子液体的剪切增稠悬浮液，这种悬浮液在冲击作用下会发生渐进性堵塞，更严重的冲击会导致更高的应力水平，从而加速堵塞过程。Asija等人[31,32]在分裂霍普金森压力棒实验中发现，较高的纳米颗粒浓度能显著提高冲击韧性。Wu等人[33,34]进一步证明，在高压下，较高的纳米颗粒浓度能增强冲击波的衰减效果。这些结果表明，通过调节EOS控制的压缩性可以补充剪切增稠效应，并为未来STF填充防护结构的冲击波缓解提供数值基础。

引言

冲击波对航空航天、车辆和防护系统构成了重大威胁[1,2]。近场爆炸产生的脉冲载荷具有极高的峰值压力、极快的上升时间和短暂的持续时间[2,3]，可能导致局部凹陷、整体弯曲和渐进性破坏[4,5]。轻质夹层结构（由刚性面板和低密度芯材组成[6,7]）因其高比刚度、强度和能量吸收能力而被广泛用于冲击波防护[8]。大量研究探讨了不同的芯材拓扑结构，如多层蜂窝结构、优化晶格结构（这些结构能提高能量耗散[9,10]），以及波纹状[11,12]、管状[13]和泡沫填充[14]芯材（这些结构能增强垂直于平面的抗冲击能力）。Slimani等人[15]和Soltan Arani等人[16]将夹层结构建模扩展到了功能梯度夹层壳体和磁流变智能面板。Vasudevan和Ramamoorthy[17]研究了纳米增强复合材料，而Belabed等人[18]开发了用于结构评估的精细有限元公式。尽管如此，在强烈冲击波作用下，应力集中和破坏局部化问题仍然存在，这表明需要补充几何设计的冲击波缓解机制[9,14]。在芯材中引入功能性、速率自适应材料是一种有前景的解决方案。其中，剪切增稠流体（STF）受到了特别关注[19,20]。

剪切增稠流体（STF）是由微米或纳米级颗粒分散在载体液体中的非牛顿悬浮液[21,22]。当剪切速率超过某个临界值时，其表观粘度可增加几个数量级，从而在动态载荷下实现速率自适应的耗散[23,24]。Cui等人[25,26]在低冲击速度下观察到力链网络的形成，这显著提高了材料的抗冲击能力。Yao等人[27,28,29]通过落重实验观察到堵塞区域的发展，并表明冲击衰减取决于流体厚度和冲击器几何形状。最近，Wu等人[30]报道了一种基于离子液体的剪切增稠悬浮液，这种悬浮液在冲击作用下会发生渐进性堵塞，更严重的冲击会导致更严重的堵塞现象。Asija等人[31,32]在分裂霍普金森压力棒实验中发现，较高的纳米颗粒浓度能显著提高冲击韧性。Wu等人[33,34]进一步证明，在高压下，较高的纳米颗粒浓度能增强冲击波的衰减效果。这些结果表明，使用STF作为功能性芯材填充材料可以改变载荷传递方式并提高防护性能[35]。

将STF引入夹层和多孔芯材中，可以通过流体-结构相互作用在动态载荷下进一步增加能量耗散[36]。Sheikhi等人[37,38]发现STF填充材料能显著提高夹层结构的刚度，而Gürgen等人[39]发现其具有更好的阻尼性能。Fu等人[40,41]开发了采用凯夫拉纤维面层的STF填充混合铝夹层板，并观察到能量吸收方式从局部穿刺转变为更全面的能量吸收。Zhao等人[42]和Wu等人[43]报道STF夹层复合材料的能量吸收比提高了42.5%。在多孔基质中，Caglayan等人[44]和Sheikhi等人[45]发现STF填充泡沫具有更高的能量吸收能力和更低的峰值减速率。Pan等人[46,47]进一步证明，将STF与海绵基质结合使用，在仅4毫米厚度的情况下，冲击力衰减率可达到80%。总体而言，这些研究证实了STF与结构耦合的好处，但大多数证据仍基于冲击或落重载荷条件。

Hu等人[48,49,50]的进一步研究表明，STF填充结构能显著提高抗冲击能力，刚度提高了11倍以上，能量吸收能力提高了2.7倍以上。Lam等人开发了一种基于STF的生物启发式能量吸收装置[51]，随后引入了部分填充STF的甲虫前翅夹层结构和STF填充的折纸结构，这些结构具有更高的抗压性能[52,53]。最近，他们将STF与结构耦合应用于远程冲击波缓解，并证明部分填充STF的折纸结构能减少压力传递并提高能量吸收[54]。我们之前的研究[55,56,57]也表明，STF与晶格结构的耦合改变了变形模式并提高了含有晶格桁架芯材（SPLTC）的冲击能量吸收能力。然而，接触冲击波的研究仍然不足。近场爆炸通常伴随着破坏现象[58]。在这种情况下，状态方程（EOS）控制的体积压缩和受限STF的反弹可以调节冲击波的传播，从而减轻弯曲和破坏的发展。然而，基于STF的防护研究中，STF的高压EOS特性研究仍然有限[59]。仍需要一种结合高压EOS特性和粘度定律的建模方法来量化接触冲击波载荷下的压缩性效应。

因此，本研究有三个主要贡献。首先，与以往主要关注低速或低压载荷的研究不同，本研究应用并验证了硅基聚乙二醇（PEG）STF的粘度定律和Mie-Grüneisen状态方程，通过激光诱导冲击实验和流体-结构相互作用（FSI）模拟在高压冲击条件下进行了验证。其次，通过结合接触TNT冲击测试和实验验证的FSI模型，本研究描述了含68 wt.% STF的SPLTC（SPLTC-68STF）的三阶段瞬态响应，并解释了相关的冲击波缓解机制。第三，除了STF的粘性耗散外，本研究还通过填充材料比较和Hugoniot参数研究探讨了填充材料状态效应和STF的压缩性。

本研究采用综合实验和计算方法探讨了STF填充夹层板的冲击波响应。论文结构如下：第2节描述了STF的合成和流变特性，以及用于验证STF材料描述的激光诱导冲击测试和FSI模型。第3节介绍了接触TNT测试、面板级模型验证和SPLTC-68STF配置的波传播分析。第4节利用验证后的模型预测性地研究了填充材料效应、局部晶格-芯材变形和拓扑结构依赖性。第5节探讨了EOS参数对SPLTC-68STF冲击波响应的影响，并讨论了设计意义和未来发展方向。第6节总结了主要结论。

章节摘录

受限流体层的冲击响应和模型验证

本节应用并进一步验证了受限流体层的冲击响应模型。首先描述了STF的流变特性和激光诱导冲击测试，然后介绍了在LS-DYNA中实现的S-ALE FSI模型和本构描述。该模型通过定量指标与实验后自由表面速度历史数据进行对比评估，并讨论了相应的组成和厚度依赖的冲击衰减趋势。

SPLTC-68STF的冲击测试和验证响应

本节重点介绍了SPLTC-68STF板的实验验证的冲击波响应。首先对SPLTC-68STF板进行了接触TNT测试。然后使用包含第2节描述的STF粘度定律和EOS的网格收敛S-ALE LS-DYNA模型进行验证，该模型与实验速度迹线进行了对比。验证后的模型用于分析控制三阶段响应的瞬态波传播和流体-结构相互作用过程。

填充材料和拓扑结构对冲击波缓解的预测性影响

本节使用SPLTC-68STF参考案例研究了填充材料类型和芯材拓扑结构对夹层板冲击波响应的影响。该模型用于比较空板、水填充（SPLTC-Water）、PEG填充（SPLTC-PEG）、40 wt.% STF填充（SPLTC-40STF）和68 wt.% STF填充的SPLTC板在后自由表面速度衰减、动能减少、局部晶格-芯材变形、整体弯曲和破坏发展方面的差异。

STF状态方程参数对SPLTC-68STF冲击波缓解的影响

本节研究了STF Hugoniot状态方程参数对SPLTC-68STF冲击波响应的影响。在保持几何形状、载荷条件、粘度定律和其他EOS常数不变的情况下，依次改变Hugoniot截距C₀和斜率S₁。首先定义了Hugoniot参数化方法，然后研究了后表面速度、质量平均加速度、动能、中心应变和中间线位移的变化。

结论

本研究结合实验和模拟，研究了STF填充SPLTC板在接触冲击波载荷下的剪切增稠耗散和EOS控制的压缩性作用。主要结论如下。

合成了含有40 wt.%和68 wt.%二氧化硅的单一分散硅基PEG STF，并通过流变特性对其进行了表征。其高压响应使用基于Hugoniot数据的Mie-Grüneisen状态方程进行了描述，并在S-ALE FSI模型中实现。激光诱导冲击实验表明...

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

顾周鹏：概念构思、研究设计、数据整理、数据分析、可视化、资金获取、初稿撰写。钟法春：方法论研究、数据分析。黄晨光：概念构思、方法论研究、资金获取。吴先倩：概念构思、资金获取、数据分析、可视化、撰写——审稿与编辑。

CRediT作者贡献声明

顾周鹏：初稿撰写、可视化、资金获取、数据分析、概念构思。钟法春：方法论研究、数据分析。黄晨光：方法论研究、资金获取、概念构思。吴先倩：审稿与编辑、可视化、资金获取、数据分析、概念构思。