南昌大学:蜂窝夹芯结构低速冲击与准静态压痕特性的等效性研究

复合材料蜂窝夹芯结构在服役期内面临工具跌落、冰雹撞击等低速冲击威胁，但此类冲击造成的隐蔽性损伤难以目视检测，却可导致结构承载力显著下降。目前评估抗冲击性能的标准手段是落锤低速冲击试验，然而该试验设备专用性强、成本高昂，且冲击过程瞬态完成，难以在加载过程中实时监测损伤演化和中断观察，试验数据的解析也高度依赖经验，极大限制了设计迭代和工艺优化的效率。准静态压痕试验可在普通万能试验机上完成，加载速度可控、便于分阶段检测，但学术界对其能否等效替代动态冲击始终存有争议，尤其对于金属面板蜂窝夹芯结构，两种加载方式在损伤引入和剩余强度上的系统对比研究尚属空白。此外，传统剩余强度评估多用压缩后冲击试验，其要求试件端面平行度极高，数据离散性大，而三点弯曲又面临加载辊与损伤区直接接触导致应力集中的问题。如何建立一种经济、可控且等效的损伤评估方法，成为工程应用中的迫切需求。

近日，南昌大学的研究团队在《Composite Structures》发表了相关研究成果，该研究通过系统试验与数值仿真，从加载响应、损伤形貌和剩余强度三个维度全面证实了准静态压痕可等效替代低速冲击用于评估金属面板蜂窝夹芯结构的损伤容限，为工程检测提供了一种经济高效的替代方案。论文标题为“Equivalence between low-velocity impact and quasi-static indentation characteristics of honeycomb sandwich structures”。

该研究采用了一系列精心设计的试验方案。低速冲击试验依据ASTM D7136标准，采用Instron Ceast 9340落锤冲击系统，冲击头直径16mm，总质量6.37kg，夹具窗口125mm×75mm。准静态压痕试验依据ASTM D6264标准，使用SANS CMT5105电子万能试验机，压头与冲击试验采用相同几何尺寸的半球形冲头，加载速度2mm/min。为保证两种方法输入能量一致，研究通过积分低速冲击载荷-位移曲线的加载阶段获得实际吸收能量，再映射到准静态曲线上确定对应位移。

表1 试件几何参数

表2 低速冲击试验矩阵

在损伤引入后，该研究采用四点弯曲试验评估剩余强度，而非传统的压缩后冲击试验。四点弯曲试验依据ASTM D7249标准，加载头跨距100mm，支撑跨距360mm。与传统三点弯曲相比，四点弯曲的纯弯曲段剪力为零、弯矩恒定，避免了加载辊与损伤区直接接触导致的应力集中，更真实反映蜂窝夹芯结构实际受载工况。

图1 蜂窝夹芯结构示意图

图2 落锤低速冲击试验装置

图3 准静态压痕试验装置

图4 能量吸收计算方法

表3 准静态压痕试验矩阵

该研究在ABAQUS/Explicit中建立了精细化有限元模型。针对计算效率与精度之间的平衡，采用了一种混合建模策略：在预期失效区（跨中100mm范围）建立细观蜂窝模型，蜂窝壁采用壳单元模拟屈曲和断裂行为；非关键区则采用等效均质化模型，以实体单元表征。铝面板采用弹塑性本构与韧性损伤准则，损伤起始阈值设为等效塑性应变0.4%。蜂窝等效弹性参数基于Gibson-Ashby经典理论确定。

图5 四点弯曲试验装置与加载夹具

图6 蜂窝夹芯结构有限元模型

该模型通过重启动技术实现了损伤引入与剩余强度分析的两步连续仿真：先完成冲击模拟获得最终损伤状态，再以此为初始状态进行四点弯曲模拟。冲头被设为刚体以提升计算效率，边界条件与试验夹具开孔尺寸完全一致（125mm×75mm）。网格策略上，面板及等效均质芯材采用C3D8R单元（尺寸3mm），细观蜂窝壁采用S4R壳单元（尺寸0.75mm，壁宽方向4个单元）。

表4 铝合金材料参数

图7 铝合金应力-应变曲线

图8 剩余弯曲强度仿真有限元模型

两种蜂窝夹芯试件在四个能量等级下的冲击载荷-位移响应呈现相似演化规律。初始接触阶段刚度较高、载荷迅速上升；芯材屈曲后刚度退化；进入稳定压溃阶段后，载荷随位移近线性增长；峰值点后进入回弹阶段。铝合金面板作为主要承力部件，加载段未见明显载荷突降或刚度突变，面板未发生灾难性损伤。仿真结果与试验数据吻合良好。

图9 冲击载荷-位移响应：(a) 铝蜂窝芯试件；(b) Nomex蜂窝芯试件

图10 12J冲击下铝蜂窝芯试件Mises应力场

图11 铝蜂窝芯试件冲击载荷-位移曲线试验与仿真对比

损伤形貌分析揭示了典型的二阶段演化规律：低能量下损伤面积随能量增加快速扩展；超过临界能量阈值后，损伤区域扩展受限而芯材压溃密度持续增加。以铝蜂窝为例，3J下面板凹坑深度2.43mm，芯材局部壁板屈曲；6J时增至3.58mm，屈曲加剧且影响区扩大；9J时凹坑深4.37mm，损伤区半径约28mm；12J时凹坑深4.96mm，中心区域芯材严重堆叠。

图12 铝蜂窝夹芯试件LVI后试验与仿真损伤形貌

图13 铝蜂窝芯试件面板冲击凹坑横截面轮廓

仿真层面，12J下准静态压痕峰值载荷模拟值3586.8N，与试验值3687N偏差仅2.72%，验证了模型精度。对比同一能量下两种加载方法的仿真载荷-位移曲线，初始阶段高度重合，后期准静态载荷略高于冲击载荷，6J、9J、12J下峰值载荷偏差分别为1.68%至2.77%，初步证明两者等效。

图14 准静态压痕载荷-位移曲线试验与仿真对比

图15 QSI与LVI仿真载荷-位移曲线对比：(a) 6J；(b) 9J；(c) 12J

12J下的Mises应力场对比显示，两种加载方法在面板和蜂窝芯中的应力分布高度相似，应力集中均局限于冲头与上面板接触区，影响范围与形态基本一致，下面板和芯材外围区域几乎不受影响。

图16 12J加载下QSI与LVI仿真Mises应力场对比

试验层面，两种方法的载荷-位移曲线同样呈现初始高度重合、后期准静态载荷偏高的特征。这一偏差源于能量耗散机制的差异：准静态加载下能量主要通过渐进塑性变形和局部损伤耗散，结构有充足时间进行应力重分布；而低速冲击中相当部分能量被动能转换和应力波传播等动态效应消耗。随着能量等级提高，这一偏差愈加显著。

图17 QSI与LVI载荷-位移曲线

峰值载荷对比分析表明，铝蜂窝试件最大偏差4.7%、平均偏差2.6%，Nomex蜂窝试件最大偏差5.7%、平均偏差3.3%。线性回归的决定系数R²均超过0.982，证实两种方法的峰值载荷与输入能量之间具有高度一致的物理关系。

图18 峰值接触力对比：(a) 铝蜂窝芯试件；(b) Nomex蜂窝芯试件

表5 QSI与LVI试验峰值接触力对比

凹坑深度方面，铝蜂窝最大偏差3.50%、平均偏差1.76%，Nomex蜂窝最大偏差4.67%、平均偏差2.85%。R²值分别达到0.977和0.989（铝）及0.991（两种方法，Nomex），进一步证实两种方法在损伤引入程度上的一致性。

图19 平均凹坑深度对比：(a) 铝蜂窝芯试件；(b) Nomex蜂窝芯试件

表6 QSI与LVI试验凹坑深度对比

能量吸收对比显示，准静态压痕的能量吸收显著高于低速冲击，与载荷差异同源。吸能曲线斜率变化映射了损伤演化阶段：初始面板弹性弯曲、芯材屈服萌生、最终芯材塑性压溃。

图20 QSI与LVI加载下能量吸收-位移响应

该研究以12J冲击后铝蜂窝试件为例，揭示四点弯曲加载的损伤演化机制。加载初期面板尚未充分发挥弯曲承载力，变形由芯材剪切主导；随着载荷提升，面板开始参与弯曲承载，整体弯曲刚度显著增强；进入稳定承载阶段后，面板拉/压与芯材剪切协同工作；临近极限状态时芯材剪切应力接近承载力极限，蜂窝壁局部屈曲导致刚度下降；峰值后上面板发生压缩失稳断裂，试件丧失承载能力。

图21 12J冲击能量下四点弯曲试验载荷-位移曲线

仿真与试验的失效模式高度一致，均表现为上面板压缩失稳引发的断裂。12J下弯曲峰值载荷仿真值4188N，与试验值4587N偏差8.68%。对比无损试件可发现，冲击凹坑显著改变了应力分布，在凹坑周围产生严重应力集中，同时下方压溃芯材无法提供有效支撑，导致承载能力显著下降。

图22 12J冲击能量下铝蜂窝芯试件四点弯曲Mises应力场演化，无损试件对比

表7 弯曲破坏载荷试验与仿真对比

图23 四点弯曲试验失效后形貌

剩余弯曲强度计算公式为：

其中P为峰值载荷，L为外支撑跨距，l为内加载跨距，b为试件宽度，h_c为芯材高度，t_f为面板厚度。

图24 剩余强度对比：(a) 铝蜂窝芯试件；(b) Nomex蜂窝芯试件

表8 QSI与LVI试验剩余弯曲强度对比

该研究针对金属面板蜂窝夹芯结构，系统开展了低速冲击（LVI）与准静态压痕（QSI）的等效性验证。以铝蜂窝和Nomex蜂窝为芯材，覆盖3~12J四种能量水平，结合四点弯曲试验与精细化有限元模拟，从加载刚度、峰值载荷、凹坑深度、能量吸收及剩余弯曲强度等多维度进行对比分析。结果表明，两种损伤引入方法在各项指标上均表现出一致性——峰值载荷偏差小于5.8%，凹坑深度偏差低于4.7%，剩余强度偏差不超过3.4%，线性回归决定系数均高于0.977。仿真结果与实验数据吻合良好，揭示了两者后期载荷差异源于动态效应导致的额外能耗。该研究证实QSI可有效替代LVI用于该类结构的损伤评估，且四点弯曲方案避免了传统CAI试验的严苛要求，为蜂窝夹芯结构的损伤容限研究提供了更便捷、可靠的实验手段。

原始文献：

Niu Q, Guan G Y, Liu Q, Zou Y X. Equivalence between low-velocity impact and quasi-static indentation characteristics of honeycomb sandwich structures[J]. Composite Structures, 2026, 120503. 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2026.120503