《Applied Research》：Simulation and Analysis of Stiffened Auxetic Honeycombs Having Enhanced High Impact Velocity Response
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本研究探讨了两种铝基内凹拉胀蜂窝构型（经典结构与加筋结构）的弹道性能。研究人员采用ANSYS Explicit Dynamics进行有限元分析（FEA），以评估高速冲击条件下的面内响应。研究了关键几何参数的影响，包括水平胞壁长度、壁厚及胞壁角度。数值模型经过已
本研究探讨了两种铝基内凹拉胀蜂窝构型（经典结构与加筋结构）的弹道性能。研究人员采用ANSYS Explicit Dynamics进行有限元分析（FEA），以评估高速冲击条件下的面内响应。研究了关键几何参数的影响，包括水平胞壁长度、壁厚及胞壁角度。数值模型经过已发表数据验证，结果吻合良好。模拟在两个正交方向上实施，揭示X方向具有更高的抗弹道阻力。在子弹冲击速度450 m/s、转速11,771 rad/s的条件下，共分析了64种构型。结果表明，增加水平壁厚显著增强抗弹道性能和能量吸收，而减小壁长进一步优化冲击性能；胞壁角度对弹道时间影响极小。此外，引入垂直与水平加筋肋显著提升了弹道性能，相对于基准试样（即最弱的未加筋结构），能量吸收效率最高提升119.45%，弹丸速度降低最高提升281.36%。性能增强归因于结构强化及冲击区附近的拉胀致密化效应，从而提高了局部阻力和能量耗散能力。
本研究针对铝基内凹拉胀蜂窝结构在高速冲击下的弹道性能开展了系统的数值模拟与分析，论文发表于《Applied Research》。以下从研究背景、方法、结果与结论等方面进行解读。
### 研究背景与问题
拉胀材料具有负泊松比（NPR）特性，其在拉伸时横向膨胀、压缩时横向收缩，与传统材料相反。该特性赋予结构优异的能量吸收能力，在电子、纺织、医疗及军事防护等领域具有应用潜力。已有研究表明，将拉胀结构嵌入树脂基体可提高复合材料的能量吸收；不同胞元构型（如经典内凹、弧形、双箭头等）在准静态或动态载荷下的力学响应存在显著差异。然而，经典内凹蜂窝结构在高速冲击条件下可能出现完全穿透，抗弹性能不足。因此，如何通过几何参数调控和结构加筋来提升其抗高速冲击能力，是设计轻质高效防护结构的关键问题。
### 研究内容与意义
研究人员运用ANSYS Explicit Dynamics对经典内凹和加筋内凹两种铝基拉胀蜂窝结构进行有限元分析，系统考察水平胞壁长度（h）、胞壁厚度（t）和胞壁角度（Φ）对弹道时间、残余速度、失效模式及能量吸收的影响。通过验证模型可靠性后，在450 m/s冲击速度和11,771 rad/s转速下分析了64种经典构型，并进一步对部分完全穿透构型引入水平和垂直加筋肋以提高抗弹性能。研究发现，几何参数显著影响弹道响应，且加筋策略可使能量吸收效率最多提升119.45%，弹丸速度降低最多提高281.36%。该研究为轻质高强防护结构的设计提供了理论依据和数据支持，对装甲、航天及民用安全领域具有参考价值。
### 主要关键技术方法
研究人员采用ANSYS Explicit Dynamics进行高速度非线性冲击有限元模拟，使用Autodesk Inventor建立三维参数化模型，网格采用六面体（SOLID186）和四面体（SOLID187）单元，通过收敛性分析确定0.5 mm最优单元尺寸。结构材料为AA60xx系铝合金，子弹为结构钢刚体，初速450 m/s，转速11,771 rad/s，接触摩擦系数0.47，约束结构上下表面，分别沿X和Y方向施加冲击。
### 研究结果
#### 3.1 残余速度的确定
通过速度-时间曲线分析64个模型的穿透行为，发现S16–S20和S40–S49共14个构型发生完全穿透，其余均为部分穿透。完全穿透的构型残余速度较高，而部分穿透构型表现出更强的能量吸收能力，表明优化几何参数可显著提升抗弹性能。
#### 3.2 几何参数对内凹拉胀结构弹道响应的影响
##### 3.2.1 水平胞壁长度的影响
水平胞壁长度增加会延长弹道时间。例如，在t=2 mm、Φ=80°条件下，当h从5 mm增至10 mm和15 mm时，弹道时间分别增加约98%和254%。然而，较长胞壁使结构内单元数量减少，整体刚度降低，更易发生整体屈曲和完全穿透；较短胞壁则增加单元数量，促进拉胀致密化，增强摩擦阻力，使子弹速度更快降低。
##### 3.2.2 胞壁厚度的影响
胞壁厚度与弹道时间呈负相关。在h=5 mm、Φ=85°条件下，当t从0.5 mm增至2 mm时，弹道时间降低约85.3%。厚度增大使结构刚度提高，胞壁变形减少，子弹减速过程缩短，因此抗穿透能力增强但相互作用时间减少。
##### 3.2.3 胞壁角度的影响
在Φ=65°–85°范围内，胞壁角度对弹道时间影响微弱，无明显变化趋势。例如S60（h=15 mm，t=2.5 mm）的弹道时间从65°时的1.04×10
?4 s增至85°时的1.1×10
?4 s，仅提升约5.8%。这与高速冲击下动态变形机制占主导有关，角度引起的几何效应相对次要。不过，较小角度（65°）比大角度（85°）具有更好的抗弹性能，因为其拉胀效应更显著，胞壁以铰接模式变形，促进能量耗散。
### 4 内凹拉胀结构弹道性能的增强
为改善完全穿透构型的抗弹性能，研究人员在单元中引入水平和垂直加筋肋（S65–S67）。对比分析表明，经典结构S42残余速度高达332 m/s，S18为221 m/s，S47为25.6 m/s；而加筋结构S65、S66、S67均能将子弹完全停住，残余速度降为零。加筋显著提高结构刚度，促进应力均匀分布，同时激活轴向拉伸、弯曲、铰接及渐进折叠等多种变形模式，增强塑性耗能。定量评估显示，加筋结构相比基准S42，能量吸收效率提升最高达119.45%，弹丸速度降低提升最高达281.36%。
### 5 结论
本研究通过有限元模拟系统研究了高速冲击下几何参数对铝制内凹拉胀蜂窝结构弹道性能的影响。结果表明：增加水平胞壁长度可延长弹道时间，改善抗穿透能力；减小胞壁厚度同样延长弹道时间，使变形更渐进；胞壁角度在65°–85°范围内对弹道性能影响可忽略，因此该参数在高速冲击中不如厚度和长度重要。此外，加入水平和垂直加筋肋显著提高了结构刚度、能量吸收和弹道极限，使优化结构相较传统结构展现出更优的抗冲击能力。总体而言，几何定制与结构加筋是提升拉胀蜂窝系统抗弹性能的有效途径，该研究为冲击防护和国防应用中的轻质高性能结构设计提供了重要参考。
