撞擊載荷下泡沫鋁夾層板的動力響應(yīng)*

宋延澤,王志華,趙隆茂,趙勇剛

(太原理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所,山西 太原030024)

1 引 言

多孔金屬材料具有輕質(zhì)、高效吸能等優(yōu)點,常被作為吸能部件應(yīng)用于航空航天、汽車、艦船等領(lǐng)域,但由于其強(qiáng)度不高,應(yīng)用范圍受到了極大的限制。多孔金屬夾層板是由2 層較薄的復(fù)合材料或者金屬面板與中間較厚的輕質(zhì)金屬泡沫芯層構(gòu)成,這種三明治結(jié)構(gòu)不僅具有質(zhì)量小、吸能效率高的特點,而且具有較高的比剛度,在充分發(fā)揮泡沫材料自身特點的同時解決了強(qiáng)度低的問題,具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。這種結(jié)構(gòu)在強(qiáng)動載荷作用下的良好性能引起了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。

Z.Xue 等[2-3]對爆炸載荷作用下固支夾層圓板和等質(zhì)量實體板的抗撞擊性能進(jìn)行了比較分析,針對3 種不同的芯層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(角錐桁架、方孔蜂窩及折皺板)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,其目標(biāo)參數(shù)包括:芯層與面板厚度、芯層高跨比及其相對密度。研究表明,與等質(zhì)量實體板相比,優(yōu)化后的夾層板能夠承受更強(qiáng)的爆炸載荷作用,具有良好的吸能效果。X.Qiu等[4]建立了固支夾層圓板在撞擊載荷下變形的解析模型,分析了夾層板在撞擊載荷下的變形歷史,并應(yīng)用有限元方法驗證了分析模型的正確性。研究結(jié)果表明,芯層壓縮強(qiáng)度和面板應(yīng)變強(qiáng)化對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不大。ZH U Feng 等[5]研究了爆炸載荷作用下鋁蜂窩夾層板的動態(tài)響應(yīng),給出了變形和失效模式,重點研究了面板厚度、孔徑尺寸、孔壁厚度及炸藥當(dāng)量對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,并進(jìn)行了有限元分析,與實驗結(jié)果取得了較好的一致性。在實驗基礎(chǔ)上,ZH U Feng 等[6]建立了夾層板在爆炸載荷作用下的理論模型,分析認(rèn)為夾層板的變形歷史分為3 個階段:第1 階段前面板獲得初速度,此時結(jié)構(gòu)的其余部分保持靜止;第2 階段是芯層壓縮過程,假設(shè)后面板保持不動;第3 階段為結(jié)構(gòu)整體變形。應(yīng)用解析模型,考慮了長寬比、芯層相對密度及芯層厚度等參數(shù),對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

實驗研究三明治結(jié)構(gòu)在強(qiáng)沖擊載荷作用下的動力學(xué)特性和失效機(jī)理時主要采用爆炸加載獲得強(qiáng)沖擊載荷。實驗中使用炸藥這一高能物質(zhì)有許多困難:安全性差、需要專用場地,技術(shù)復(fù)雜等,特別是難以精確得到預(yù)先設(shè)定的沖量。為了能在常規(guī)實驗室條件下頻繁地驗證模型和對設(shè)計原型進(jìn)行實驗研究,急需發(fā)展一種簡單、經(jīng)濟(jì)和安全的動態(tài)實驗加載技術(shù),可給出在空氣和水中爆炸壓力的加載歷史。最近的研究顯示[7-8],金屬泡沫幾乎是在恒定的壓力下坍塌,坍塌壓力幅值從準(zhǔn)靜態(tài)的幾兆帕可增加到幾百兆帕的量級(由于沖擊波的傳播,當(dāng)沖擊速度增加到幾百米每秒量級時),改變泡沫的密度可控制壓力的幅值。根據(jù)金屬泡沫材料的這一特性,D.D.Radford 等[9]提出了一種新的使用金屬泡沫子彈撞擊產(chǎn)生強(qiáng)壓力脈沖模擬炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊載荷的實驗方法,所給出的沖量可以通過改變子彈長度、子彈密度及沖擊速度來實現(xiàn)。應(yīng)用該實驗技術(shù),D.D.Radford 等[10]對泡沫金屬夾層圓板在泡沫子彈作用下的變形進(jìn)行了實驗研究,其中采用了板中心點的永久變形來衡量夾層板的抗撞擊性能。通過夾層板與等質(zhì)量實體板的比較說明了泡沫金屬夾層板具有更好的能量吸收能力,與Z.Xue 等[2-3]的觀點相同。此外,還采用有限元軟件ABAQUS 對撞擊載荷下夾層板的響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。G.T.McShane 等[11]也采用相同的實驗裝置對角錐桁架芯層夾層板和方孔蜂窩芯層夾層板進(jìn)行撞擊實驗,并進(jìn)行了有限元分析。最近,V.Rubino 等[12]實驗研究了固支“Y”形、波紋形芯層矩形夾層板以及等質(zhì)量實體板在撞擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明,夾層板前面板累積的塑性應(yīng)變大于實體板,這是導(dǎo)致夾層板最終失效的原因。趙桂平等[13]借助2 種有限元軟件ABAQUS 和LS-DYNA 模擬和分析了2 種厚度不同的泡沫鋁合金夾層板、方孔蜂窩形夾層板和波紋形夾層板在撞擊載荷下的動態(tài)響應(yīng),討論了泡沫金屬夾層板和格柵式夾層板在不同撞擊載荷作用下的變形機(jī)制,重點研究了夾層板的吸能特性及板內(nèi)各部分的吸能變化規(guī)律。

強(qiáng)動載荷下多孔金屬夾層結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)已成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的焦點。但是,該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段,許多工作還很不完善。因此,有必要對撞擊載荷作用下泡沫鋁夾層板的動力響應(yīng)作進(jìn)一步系統(tǒng)深入的研究。

本文中應(yīng)用泡沫金屬子彈撞擊加載的方式研究固支夾層方板和等質(zhì)量實體方板的動力響應(yīng)和失效。其中夾層結(jié)構(gòu)的面板為鋁合金板,芯層為泡沫鋁。分別應(yīng)用激光測速裝置和位移傳感器測量泡沫子彈的撞擊速度和后面板的位移時程。實驗觀察夾層板的變形和失效模式,研究面板厚度、泡沫芯層的密度、芯層的厚度及子彈沖量對泡沫鋁夾層板變形/失效的影響。

2 實驗過程

2.1 實驗裝置

泡沫金屬子彈撞擊夾層板的實驗裝置如圖1 所示。實驗裝置由驅(qū)動子彈用空氣動力槍、激光測速裝置、實驗支架和激光位移傳感器等組成。子彈速度由空氣動力槍氣壓控制,發(fā)射速度為50 ～203 m/s。泡沫金屬子彈直徑為36.5 mm,長度為50、80 mm 等2 種,撞擊夾層板后子彈被壓縮(見圖1(a)),速度較大時被完全壓實。后面板中心點位移由激光位移傳感器(LD 1625-200,με.Com,德國)測得。為了實現(xiàn)試件的固支邊界條件,試件由2 塊加工平整的18 mm 厚鋼板采用16 條M16 的螺栓固夾,如圖2 所示。

圖1 實驗裝置Fig.1 Sketch of the experimental set-up

圖2 固支裝置Fig.2 Sketch of the clamping device

2.2 試件加工與分組

實驗用夾層板由上下2 層面板和泡沫鋁芯層構(gòu)成,如圖3 所示。面板為2A12-O 鋁合金,其材料性能為:密度2.7 g/cm3,楊氏模量72.4 GPa,剪切模量28 GPa,泊松比0.33,屈服強(qiáng)度75 MPa。泡沫鋁芯層為安徽虹波金屬材料公司生產(chǎn)的泡沫鋁板材;泡沫子彈為Alporas 泡沫鋁(Shinko Wire Com,德國)。2 種泡沫材料的主要性能為:泡沫芯層,平均密度308 kg/m3,楊氏模量0.38 GPa,泊松比0.20,屈服強(qiáng)度2.4 MPa;泡沫子彈,平均密度230 kg/m3,楊氏模量1.00 GPa,泊松比0.33,屈服強(qiáng)度1.5 MPa。使用HY-914 膠將上面板、芯層和下面板粘接構(gòu)成實驗試件。為了綜合考察泡沫金屬夾層板的抗撞擊性能,實驗共分為4 組:第1 組,研究子彈沖量(0.74 ～3.24 N·s)對夾層板(h=0.5 mm,c=10 mm,芯層密度ρc=250 kg/m3)與等質(zhì)量實體板(h=2.0 mm)響應(yīng)的影響;第2 組:在給定沖量(I ≈4.0 N·s)、芯層厚度(c=10 mm)及芯層密度(ρc=250 kg/m3)的情況下,比較了3 種面板厚度(0.5、0.8、1.0 mm)對變形的影響;第3 組研究了泡沫芯層相對密度(8.5%～14%)對變形的影響;第4 組考察了沖量(I ≈5.5 N·s)一定、面板厚度(1.0 mm)一定及芯層密度(ρc=244.8 kg/m3)一定時,3 種不同芯層厚度(10、20、30 mm)下的變形比較。

圖3 泡沫鋁夾層板示意圖Fig.3 Geometry and dimension of the aluminium foam core specimen

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 變形及失效模式

與實心結(jié)構(gòu)相比較,多孔金屬夾層結(jié)構(gòu)除了具有較高的比剛度和比強(qiáng)度的特點外,一個顯著的特點是會以不同的模式失效,從而對應(yīng)不同結(jié)構(gòu)承載能力和能量吸收能力。為了直觀了解結(jié)構(gòu)的性能,首先觀察撞擊載荷下夾層板的變形情況及失效模式。實驗中觀察到板的變形和失效模式可歸結(jié)為前面板、芯層及后面板的變形和失效模式。

3.1.1 前面板的變形和失效模式

在撞擊載荷作用下,前面板變形可分為2 個不同區(qū)域。在子彈作用區(qū)域表現(xiàn)出局部壓縮,而在撞擊的周邊區(qū)域則表現(xiàn)出整體的大變形。ZH U Feng 等[5]在爆炸加載夾層板的實驗中也觀察到類似現(xiàn)象。

前面板的失效主要集中于子彈作用區(qū)域,根據(jù)夾層板構(gòu)成的不同,失效模式可歸納為2 種,即壓入失效(圖4)和侵徹失效(圖5)。壓入失效的前面板表現(xiàn)為子彈作用區(qū)域的大變形(沒有破壞),變形區(qū)域的大小主要取決于子彈沖量的大小;而侵徹失效表現(xiàn)為局部的破裂,破壞程度與子彈質(zhì)量、撞擊速度、面板厚度及芯層厚度有關(guān)。

圖4 前面板壓入失效Fig.4 Indenting failure on the front face

圖5 前面板侵徹失效Fig.5 Penetrating failure on the f ront face

3.1.2 泡沫芯層的變形和失效模式

芯層壓縮表現(xiàn)出一個漸進(jìn)破壞的變形模式(圖6),芯層厚度(10、20 和30 mm)不同其變形模式相同。按照破壞程度的不同,可分為壓縮區(qū)和無壓縮區(qū)。但壓縮主要發(fā)生在承載中心區(qū)域,該區(qū)域可觀察到局部的塑性大變形,泡沫孔壁彎曲、坍塌甚至泡孔完全閉合。沖量較大的情況下,芯層完全可能進(jìn)入密實化。在加載區(qū)域的邊緣也有部分泡沫受到壓縮,但壓縮量明顯減小,與后面板連接處基本保持原狀。在距離受載區(qū)域較遠(yuǎn)處以及固支邊,泡沫芯層幾乎沒有發(fā)生任何變化,該區(qū)域我們定義為無壓縮區(qū)域。此外,芯層較薄時,加載區(qū)域邊緣還可觀察到明顯的剪切失效模式(圖7)。

3.1.3 后面板的變形和失效模式

R.G.Teeling-Smith 等[14]、M.D.Olson 等[15]及G.N.Nurick 等[16]在撞擊載荷作用下的固支單層圓板、固支單層方板的實驗中觀測到了3 種失效模式:非彈性大變形、伴有拉伸撕裂的非彈性大變形以及橫向剪切失效。S.B.Menkes等[17]和ZH U Feng 等[5]在爆炸加載實驗中也觀察到了類似的現(xiàn)象。如圖8 所示,泡沫金屬夾層板在撞擊載荷下后面板的變形失效模式可近似為非彈性大變形,中心點撓度最大,在周圍伴有花瓣形的變形,周邊最小,整體變形為穹形。

圖6 泡沫芯層壓縮變形模式Fig.6 Compressive deformation mode of foam core

圖7 泡沫芯層剪切變形模式Fig.7 Shearing deformation mode of foam core

圖8 后面板的變形模式Fig.8 Deformation mode of the back face

圖9 后面板的位移時程曲線Fig.9 Variation of deflection of the back face w ith time

為了更清楚地了解后面板的變形過程,圖9 給出了4 個不同沖量下夾層板(h=0.5 mm,c=10 mm,ρc=250 kg/m3)后面板中心點的位移時程曲線。因泡沫子彈撞擊而產(chǎn)生的沖擊波傳到后面板時,后面板開始產(chǎn)生變形,而且撓度在550 μs 左右達(dá)到最大值,之后部分變形恢復(fù)。從圖8 中觀察到的最終變形就是后面板在停止振蕩后保留的殘余變形。

3.2 泡沫金屬夾層板參數(shù)

多孔金屬夾層板常常被用于工程防護(hù)結(jié)構(gòu)中,被保護(hù)人員和物品往往置于夾層板后面板的一側(cè),因此結(jié)構(gòu)在承受強(qiáng)動載荷作用時將其“后面板”的永久變形作為研究夾層板的抗撞擊性能的主要研究指標(biāo)。參數(shù)研究包括沖量、面板厚度、泡沫芯層密度及泡沫芯層厚度對結(jié)構(gòu)變形的影響,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

3.2.1 沖量對結(jié)構(gòu)變形/失效的影響

為了比較泡沫鋁夾層板與等質(zhì)量單層鋁板的抗撞擊性能,應(yīng)用泡沫子彈撞擊加載技術(shù),進(jìn)行了芯層厚度為10 mm、相對密度約9.4%,上下面板厚度均為0.5 mm 的10 個泡沫夾層板試件的實驗研究。其中子彈質(zhì)量近似相等,撞擊速度范圍為50 ～203 m/s。與夾層板等質(zhì)量單層鋁板的厚度為2 mm,材料性質(zhì)與夾層板面板的相同,試件數(shù)量為10 個。量綱一化的夾層板后面板(或?qū)嶓w板)中心點的最終撓度)隨量綱一化沖量其中Ac為子彈作用區(qū)域的面積,σf和ρf分別為面板材料的屈服強(qiáng)度和密度)的變化關(guān)系如圖10 所示。在本文研究的沖量范圍內(nèi),夾層板與等質(zhì)量實體板的最終變形均隨著沖量的增加逐漸增大,而且夾層板的后面板的撓度始終小于實體板的撓度。可見,與等質(zhì)量的實體板相比,泡沫鋁夾層板具有優(yōu)越的抗撞擊性能,在結(jié)構(gòu)中采用這種板可以有效降低其變形量,使其中的物體或人員得到有效的保護(hù),從而達(dá)到防護(hù)的目的。擬合實驗數(shù)據(jù)點,可得到夾層板后面板的撓度與沖量之間的近似關(guān)系

式中:w 為后面板中心點的最終撓度,I 為泡沫子彈的沖量;a、b 為擬合參數(shù),a=8.65 mm/(N·s),b=-9.21 mm。

3.2.2 面板厚度對結(jié)構(gòu)變形/失效的影響

圖10 沖量與面板厚度對結(jié)構(gòu)的影響Fig.10 Effect of im pulse level and face-sheet thickness on the plates

圖10 還給出了夾層板的面板厚度對其抵抗撞擊性能的影響,其中試件的芯層厚度為10 mm。與采用0.5 mm 的面板相比,0.8 mm 的面板使得平均撓度減小約37%,1.0 mm 的面板使得平均撓度減小約42%。由此可見,通過增加面板厚度,可以有效控制夾層板的最終變形,從而提高板的抗撞擊性能。然而,面板厚度的增加卻導(dǎo)致了夾層板質(zhì)量的增加。那么,如何較好地處理強(qiáng)度與質(zhì)量的關(guān)系將是夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重點考慮的內(nèi)容之一。

3.2.3 芯層厚度對結(jié)構(gòu)變形/失效的影響

芯層厚度也是影響多孔金屬夾層板的抗撞擊性能的重要參數(shù)之一,為了吸收更多的因撞擊產(chǎn)生的巨大能量應(yīng)盡可能增加芯層的厚度,然而,芯層變厚會增加整個結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,因此,如何恰當(dāng)選用夾層板的芯層厚度在結(jié)構(gòu)設(shè)計中也很重要。本文中在給定芯層密度(約244.8 kg/m3)和面板厚度(1.0 mm)的情況下,考察了3 種芯層厚度對整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。泡沫子彈沖量I ≈5.5 N·s。量綱一化的泡沫鋁夾層板的后面板撓度(w-=w/l)隨芯層厚度的變化關(guān)系見圖10。圖10 表明,與10 mm 芯層厚度相比,采用20 mm 的芯層厚度可以減小后面板撓度約36.12%,如果采用30 mm 的芯層,效果更加明顯,可以降低約78.93%的撓度。由此可見,通過增加芯層厚度,后面板的撓度明顯減小,有效提高了夾層板結(jié)構(gòu)的承載能力。結(jié)合前文中關(guān)于面板厚度的研究可以發(fā)現(xiàn),不論增加芯層厚度或面板厚度都改善了夾層板的能量吸收能力,但無一例外地導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增加,平衡二者與結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的關(guān)系非常重要。

3.2.4 芯層密度對結(jié)構(gòu)變形/失效的影響

泡沫材料具有良好的壓縮性,將其應(yīng)用于多孔金屬夾層結(jié)構(gòu)中有利于能量的吸收,因此泡沫材料的性能直接影響著夾層結(jié)構(gòu)的抗撞擊性。相對密度是描述泡沫材料性能的主要參數(shù),因此了解泡沫芯層的密度對夾層結(jié)構(gòu)抗撞擊性能的影響是一項重要的研究內(nèi)容。這里在給定沖量、面板厚度及芯層厚度的條件下,研究并獲得了芯層相對密度對量綱一化的后面板撓度(w-=w/l)的影響規(guī)律,如圖11 所示。為了更加清楚地描述二者之間的變化關(guān)系,將實驗數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合,可得

式中:w、ρ分別是后面板中心點永久變形和泡沫芯層的相對密度,c、d 為擬合參數(shù),c=-0.80 mm4/kg和d=21.85 mm。由此可見,隨著芯層相對密度的增長,撓度將線性減小,也就是說,芯層密度影響泡沫材料性能的同時也對夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的作用,因此適當(dāng)增加夾層結(jié)構(gòu)芯層密度也是一種提高夾層結(jié)構(gòu)抗撞擊性能的有效方法。

圖11 芯層相對密度對后面板撓度的影響Fig.11 Effect of relative density of foams on plates

4 結(jié)論與討論

通過泡沫子彈撞擊固支泡沫金屬夾層方板的實驗,綜合研究了子彈沖量、構(gòu)成夾層板的面板厚度、泡沫芯層密度以及泡沫芯層厚度對其抗撞擊性能的影響,得到以下結(jié)論:

(1)泡沫子彈撞擊下,夾層板的變形主要集中在子彈作用的中心區(qū)域。前面板主要表現(xiàn)為子彈作用區(qū)域壓縮變形,其失效模式分為壓入失效和侵徹失效。芯層的變形在中心區(qū)域也可分為壓縮失效和剪切失效,在與中心區(qū)域較近的周邊區(qū)域有較小的壓縮區(qū)域,而在接近固支邊的區(qū)域則沒有壓縮。后面板的變形為非彈性大變形,中心點撓度最大,周圍伴有花瓣形的變形,周邊最小,整體變形為穹形。

(2)在所研究沖量范圍內(nèi),與等質(zhì)量的實體板相比,泡沫金屬夾層板具有優(yōu)越的抗撞擊性能,在結(jié)構(gòu)中適當(dāng)采用可以達(dá)到較好的效果。結(jié)構(gòu)響應(yīng)對子彈沖量和芯層密度比較敏感,后面板中心點的永久變形與泡沫子彈沖量或芯層密度近似成線性關(guān)系。

(3)夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計中,面板厚度和芯層厚度是較容易控制的2 個參數(shù)。通過增加面板厚度或芯層厚度均能有效控制后面板的撓度。因此,工程防護(hù)結(jié)構(gòu)中,在條件允許的情況下,通過適當(dāng)提高芯層厚度或面板厚度可以改善多孔金屬夾層板的抗撞擊性,從而更加有效地保護(hù)其中的人員或物體。

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