Page 129 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 邹 震，等： 增强内凹蜂窝夹层结构弯曲力学性能及多目标优化设计 第 3 期

向溃缩变形。此时，RH 芯层形成左向倾斜致密带，其后面板未明显变形。RRH 芯层变形与 RH 类似，压
头下方的 RRH 胞元右向溃缩变形，其芯层形成右向倾斜致密带。因此，压头下方胞元初始变形对夹层
梁整体溃缩变形方向具有重要影响。当压缩位移为 20.0 mm 时，压头下方及两侧 RH 胞元的侧胞壁均与
水平胞壁相接触，而 RRH 同位置胞元侧胞壁未与水平胞壁相接触。对比 RH 和 RRH 胞元变形可发现，
当压头下方 RH 胞壁产生某一侧初始旋转变形，则直接至其旋转极限（侧胞壁与水平胞壁相接触）。相对
地，RRH 胞壁在悬链线结构约束下未旋转至与水平胞壁接触，迫使 RRH 夹层梁其余胞元产生侧胞壁绕
悬链线结构的规则弯曲。相较于 RH，RRH 可利用更多胞元变形耗散外界能量。此时，压头下方 RH 芯
层高度为 14.1 mm，RRH 芯层高度为 12.3 mm。当压缩位移为 30.0 mm 时，RH 夹层梁后面板弯曲中心位
于压头左侧，这是由于压头下方 RH 胞元左向初始变形。尽管压头下方 RRH 胞元产生右向初始变形，但

悬链线结构限制侧胞壁绕节点的旋转变形，RRH 夹层梁后面板弯曲中心与压头中心基本重合，悬链线结
构的引入可避免 RH 芯层的整体倾斜变形。
RH beam RRH beam

600
d=0 mm RH beam
RRH beam
RH
450
d=15.0 mm 246.2 N 346.8 N
Force/N 300 101.6 N

d=20.0 mm 16.2 N
150
14.1 mm RRH 12.3 mm 6.4 mm
3.8 mm
d=30.0 mm
0 10 20 30 40 50
Deformation midpoint Deformation midpoint Displacement/mm
(a) Deformation modes (b) Force-displacement curves
图 6 RH 及 RRH 夹层梁三点弯曲实验结果
Fig. 6 Test results of three-point bending of RH and RRH cored sandwich beams
如图 6(b) 所示，RH 夹层梁力-位移曲线在 0～6.4 mm 位移持续增加，而 RRH 夹层梁仅在 0～3.8 mm
线性增加，RH 夹层梁的弹性变形阶段长于 RRH 夹层梁。RH 和 RRH 夹层梁初始塑性变形的峰值力分别
为 346.8 和 246.2 N，RH 夹层梁较高峰值力是因为等相对密度下较大壁厚。在力-位移曲线的初始峰值之后，
RH 和 RRH 均出现下降趋势。RH 夹层梁的承载力从 346.8 N 降低至 245.2 N（降低 101.6 N），而 RRH 夹层
梁从 246.2 N 降低至 227.3 N（降低 16.2 N）。RH 和 RRH 夹层梁初始塑性变形后承载力的下降比例分别为
29.3% 和 6.6%，RRH 芯层可避免 RH 夹层梁的灾难性失效模式。当压缩位移从 15.0 mm 增大到 20.0 mm
时，RH 和 RRH 芯层高度分别为 14.1 和 12.3 mm。RRH 芯层发生更显著压缩变形耗散冲击能量，减小后面
板的最大变形，有利于保护其背后人员和设备的生存空间。在 10.9 mm 压缩位移之后，RRH 利用更多胞元
变形使其力-位移曲线持续高于 RH 夹层梁。等相对密度下，RH 和 RRH 夹层梁的 F 分别为 421.8 和
m
534.4 N，E 分别为 14.8 和 16.1 J。相较于 RH 夹层梁，RRH 夹层梁的 F 和 E 分别提高 26.7% 和 8.9%。
a
m
a
2 数值模型构建与验证
2.1 模型建立
图 7(a) 为夹层梁三点弯曲数值模型，上方圆柱结构模拟压头滚轮，而下方 2 个圆柱结构模拟支撑滚
轮。采用实体单元离散其前、后面板，且要求前、后面板厚度方向实体网格单元不小于两层。由于芯层
胞壁较大的长厚比，采用壳单元 Belytschko-Tsay 离散 RH 及 RRH 芯层，并在壳单元厚度方向设置 5 个积
分点以提高仿真精度。压头和支撑滚轮采用壳单元 Belytschko-Tsay 离散。考虑压头、支撑滚轮的可旋
转性、其与夹层梁摩擦力较小，根据摩擦因数测试将滚轮与夹层梁样件之间的动、静摩擦因数设置为
0.03。由于压头、支撑滚轮的高硬度、低变形，采用 20 号刚性材料进行模拟。

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