泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波防護(hù)性能研究

楊冬麗,王琳,楊杰,趙登輝

(1.北京理工大學(xué)材料學(xué)院,北京 100081;2.公安部第一研究所檢測(cè)中心,北京 100048）

泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波防護(hù)性能研究

楊冬麗1,王琳1,楊杰2,趙登輝1

(1.北京理工大學(xué)材料學(xué)院,北京 100081;2.公安部第一研究所檢測(cè)中心,北京 100048）

為研究泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波的防護(hù)能力,利用傳統(tǒng)和改進(jìn)的分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置對(duì)不同相對(duì)密度及不同厚度組合的泡沫鋁-鋁板復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:泡沫鋁作為夾層,可使入射波分多次傳到背板,延遲應(yīng)力波到達(dá)時(shí)間,降低了應(yīng)力波強(qiáng)度。隨著泡沫鋁夾層厚度的增加,應(yīng)力波衰減效果明顯。泡沫鋁-鋁板復(fù)合結(jié)構(gòu)作為面板,應(yīng)力波的加載方式發(fā)生變化,上升沿得到改善,脈沖寬度增大,最大應(yīng)力幅值降低,同時(shí)吸收大量沖擊能,是一種良好的應(yīng)力波防護(hù)材料。增大復(fù)合結(jié)構(gòu)中泡沫鋁厚度,應(yīng)力波的上升沿時(shí)間延長、斜率減小,應(yīng)力幅值降低,但脈沖寬度變化不大;鋁板厚度對(duì)應(yīng)力波傳播影響較小。隨著泡沫鋁相對(duì)密度的增加,經(jīng)泡沫鋁-鋁板復(fù)合結(jié)構(gòu)作用后,應(yīng)力波的上升斜率減小,最大應(yīng)力幅值降低,但脈沖寬度和上升沿時(shí)間不變。

金屬材料;泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu);應(yīng)力波衰減;相對(duì)密度

0 引言

目前,無論在國民經(jīng)濟(jì)還是軍事領(lǐng)域中,應(yīng)力波對(duì)材料的破壞日益嚴(yán)重。彈丸等侵徹物尚未到達(dá)的區(qū)域,應(yīng)力波對(duì)材料產(chǎn)生提前破壞,大大降低了物體的防御能力。因此,具有抗侵徹能力且有效削弱應(yīng)力波的材料受到高度重視。泡沫鋁夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合了泡沫金屬與普通金屬材料的優(yōu)點(diǎn),具有輕質(zhì)、吸收沖擊能及衰減應(yīng)力波的特點(diǎn),在吸能緩沖、應(yīng)力波防護(hù)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景[1]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)應(yīng)力波在泡沫金屬多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律進(jìn)行了大量研究[2-6]。董永香等[2]采用氣炮實(shí)驗(yàn)裝置,分析了應(yīng)力波在泡沫夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律,發(fā)現(xiàn)泡沫材料改變了應(yīng)力波的幅值與作用時(shí)間,同時(shí)也改變了各層介質(zhì)中能量與動(dòng)能的分配。文獻(xiàn)[3-4]通過理論計(jì)算和LS-DYNA模擬,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波在鋼板-泡沫鋁-鋼板中傳播時(shí),應(yīng)力波的升壓時(shí)間增加,幅值下降,有效削弱了爆炸沖擊波的破壞作用。田杰等[5]利用PVDF壓電壓力傳感器研究了爆炸載荷下泡沫鋁中應(yīng)力波的傳播特性,結(jié)果表明應(yīng)力波在泡沫鋁中隨著傳播距離的增加呈指數(shù)衰減的形式,而且泡沫鋁作夾心材料時(shí),可以有效地衰減次生應(yīng)力波的峰值和沖量。

對(duì)應(yīng)力波在泡沫鋁夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律,目前已有一定認(rèn)識(shí)。但對(duì)泡沫鋁夾心材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)如相對(duì)密度、厚度大小對(duì)應(yīng)力波傳播的影響了解不多。另外,目前研究泡沫金屬中應(yīng)力波傳播規(guī)律的實(shí)驗(yàn)手段不多,主要集中在PVDF傳感器測(cè)量上,但該種方法設(shè)計(jì)較復(fù)雜。結(jié)合以上問題,本文采用相對(duì)簡單的霍普金森壓桿(SHPB)裝置,并將傳統(tǒng)的SHPB裝置進(jìn)行改進(jìn),選擇不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。深入研究泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波的防護(hù)能力,以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響規(guī)律,為其實(shí)際應(yīng)用奠定一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本文選擇孔徑尺寸為φ2 mm,相對(duì)密度ρ*/ρs(ρ*為泡沫鋁密度,ρs為金屬鋁密度)在0.145～0.253范圍內(nèi)的閉孔泡沫鋁為研究對(duì)象。泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)是由泡沫鋁和5210鋁板組合而成,組合方式有2種,即鋁板+泡沫鋁,鋁板+泡沫鋁+鋁板,鋁板與泡沫鋁間通過粘結(jié)劑粘結(jié)。沖擊試樣采用圓柱形,直徑為φ14.5 mm,泡沫鋁厚度在5～15 mm之間,鋁板厚度在1～3 mm之間。

采用傳統(tǒng)的SHPB裝置檢測(cè)泡沫鋁作夾層時(shí)應(yīng)力波的傳播特性,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中,子彈及壓桿采用馬氏體時(shí)效鋼制備,直徑為φ14.5 mm.以輸入桿作為面板,泡沫鋁作為夾層,輸出桿作背板。子彈以一定速度對(duì)面板進(jìn)行沖擊,在桿中產(chǎn)生一定的應(yīng)力波,通過對(duì)比面板和背板上分別采集的應(yīng)力-時(shí)間曲線來評(píng)價(jià)泡沫鋁作夾層時(shí)的削波作用。作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,在輸入桿和輸出桿之間放置金屬鋁板,考察泡沫鋁和鋁板對(duì)應(yīng)力波傳播的影響。

圖1 傳統(tǒng)的霍普金森壓桿裝置Fig.1 Schematic diagram of conventional SHPB device

采用改裝的SHPB裝置研究泡沫鋁與鋁板組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)作為面板對(duì)應(yīng)力波的防護(hù)作用,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。其中,子彈及壓桿材料均為馬氏體時(shí)效鋼,直徑為φ14.5 mm,入射桿模擬實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中被保護(hù)的物體。子彈以一定速度對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊,應(yīng)力波經(jīng)過復(fù)合結(jié)構(gòu)防護(hù)材料的衰減作用后傳入輸入桿,通過測(cè)量輸入桿上的應(yīng)力-時(shí)間曲線,研究泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波的衰減作用。

圖2 改進(jìn)的霍普金森壓桿裝置Fig.2 The improved SHPB device

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 泡沫鋁作夾層對(duì)應(yīng)力波的衰減作用

圖3(a)是φ14.5 mm×8 mm的泡沫鋁作夾層時(shí)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響,圖3(b)為對(duì)比實(shí)驗(yàn),即相同尺寸的鋁板作夾層對(duì)應(yīng)力波的影響。

圖3 泡沫鋁、鋁板分別為夾層材料時(shí)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響Fig.3 Effects of the foam Al and Al alloy as interlayermaterials on stress wave propagation

觀察圖3(a)發(fā)現(xiàn),入射波第1次到達(dá)面板與泡沫鋁界面時(shí)透射波非常微弱,幾乎全部形成反射波,反射波在輸入桿中傳播到達(dá)前端變?yōu)槎稳肷洳ㄖ匦录虞d。應(yīng)力波重復(fù)以上過程4次后,才觀察到背板中的透射波,透射波強(qiáng)度在第5次加載時(shí)達(dá)到最大值193 MPa.觀察圖3(b)可知,等厚度鋁板作夾層時(shí),透射波在第1次加載時(shí)強(qiáng)度已達(dá)276 MPa,經(jīng)過2次加載后,應(yīng)力波完全傳入背板。對(duì)比可知,泡沫鋁作夾層時(shí)可使入射波分多次傳入背板,不但延緩了應(yīng)力波到達(dá)背板的時(shí)間,而且減小了每次到達(dá)背板的應(yīng)力波強(qiáng)度,大大縮短了高強(qiáng)度應(yīng)力波的持續(xù)時(shí)間,降低了背板因受強(qiáng)沖擊作用提前破壞的可能性。這與其他研究者利用PVDF傳感器測(cè)量及LS-DYNA模擬得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,應(yīng)力波經(jīng)過泡沫金屬材料后,波幅消減、作用時(shí)間增長[2-4]。鋁板作夾層雖然也降低了背板應(yīng)力波強(qiáng)度,即入射波強(qiáng)度由520 MPa降低為276 MPa,但對(duì)應(yīng)力波傳播時(shí)間幾乎沒有影響。

分析泡沫鋁作夾層可有效阻隔應(yīng)力波傳播的原因,應(yīng)力波在多層介質(zhì)中傳播時(shí),由于各層材料的波阻抗不同,在界面處會(huì)產(chǎn)生反射和透射。設(shè)面板和背板材料的波阻抗Z1為ρ1c1,泡沫鋁夾層的波阻抗Z2為ρ2c2,則面板和夾層界面處的反射波強(qiáng)度σR1和透射波強(qiáng)度σT1[7]分別為

式中:σI為入射波強(qiáng)度。應(yīng)力波在夾層與背板界面產(chǎn)生的透射波強(qiáng)度σT2為

本實(shí)驗(yàn)中,壓桿材料密度為7 900 kg/m3,波速5 000 m/s,波阻抗Z1為39.6×106kg/(m2·s);泡沫鋁密度為500 kg/m3,波速600 m/s,波阻抗Z2為0.3×106kg/(m2·s).因此,壓桿與泡沫鋁波阻抗相差很大,應(yīng)力波經(jīng)過泡沫鋁傳播到輸出桿的透射波很弱,大部分被反射到輸入桿。隨著泡沫鋁的不斷壓實(shí),波阻抗變大,與壓桿材料的波阻抗差異逐漸減小,透射波逐漸變強(qiáng)。在入射波第5次加載時(shí)泡沫鋁完全被壓實(shí),透射波強(qiáng)度達(dá)到最大。通過以上分析,得知以泡沫鋁為代表的泡沫金屬作為夾層可以有效衰減應(yīng)力波的傳播。

選擇不同厚度的泡沫鋁進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分析厚度大小對(duì)應(yīng)力波衰減的影響,如圖4所示。由圖可知,夾層厚度為5 mm時(shí),最強(qiáng)透射波在730 μs達(dá)到背板,強(qiáng)度為273 MPa.厚度增加到10 mm后,背板在應(yīng)力波重復(fù)4次加載后才有微弱透射波,1 500 μs時(shí)透射波達(dá)到最大值170 MPa.泡沫鋁厚度為15 mm時(shí),傳遞到背板的最大透射波強(qiáng)度為147 MPa,時(shí)間延緩至2 600 μs.因此,隨著泡沫鋁厚度的增加,傳遞到背板上的透射波時(shí)間明顯增加且強(qiáng)度大大降低。分析認(rèn)為,隨著夾層厚度的增加,泡沫鋁壓實(shí)需要的沖擊力越大,消耗的應(yīng)力波能量越多,這使得最終傳遞到背板上的應(yīng)力波強(qiáng)度減小。另一方面,當(dāng)泡沫鋁厚度從5 mm增加到15 mm時(shí),壓實(shí)所需的時(shí)間也在增加,波阻抗增大過程變緩,導(dǎo)致應(yīng)力波在界面處的反射、透射次數(shù)增加,因此一定強(qiáng)度的應(yīng)力波最終到達(dá)背板的時(shí)間越長,強(qiáng)度也隨之減小。

2.2 泡沫鋁及其復(fù)合結(jié)構(gòu)作為面板時(shí)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響

將尺寸均為φ14.5 mm×10 mm的泡沫鋁、5210鋁板以及泡沫鋁-鋁板復(fù)合結(jié)構(gòu)分別作為3種面板置于輸入桿前端,作為面板,采用子彈沖擊,研究泡沫鋁及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波防護(hù)能力。子彈產(chǎn)生的應(yīng)力波經(jīng)不同面板材料作用后傳遞到輸入桿的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖5所示。

圖4 泡沫鋁夾層厚度對(duì)應(yīng)力波傳播的影響Fig.4 Effect of the thickness of foam Al on stress wave propagation

圖5 面板材料對(duì)應(yīng)力-時(shí)間曲線的影響Fig.5 Effect of faceplate materials on stress-time curves

由圖5可知,輸入桿前端放置各種材料后,應(yīng)力波的應(yīng)力幅值及脈沖寬度均得到一定程度的改變,具體數(shù)值如表1所示。泡沫鋁單獨(dú)作面板時(shí),應(yīng)力波的加載形式由原來的矩形轉(zhuǎn)變?yōu)槿切?上升沿時(shí)間增加到140 μs,占整體加載時(shí)間的2/3,最大應(yīng)力幅值由原來的598 MPa減小到398 MPa.等厚度的鋁板作面板時(shí),應(yīng)力波的脈沖寬度加寬,最大應(yīng)力幅值減小到268 MPa.對(duì)比泡沫鋁與鋁板對(duì)應(yīng)力波傳播的影響,發(fā)現(xiàn)泡沫鋁可以大幅度地延長應(yīng)力波上升沿時(shí)間,但傳遞到被保護(hù)物體的應(yīng)力值仍然較高。這是因?yàn)榕菽X在沖擊載荷加載下發(fā)生大的塑形變形,壓實(shí)應(yīng)變可以達(dá)到0.6,該過程中吸收大量能量,因此傳遞到輸入桿的應(yīng)力波上升緩慢。但由于應(yīng)力波強(qiáng)度較大,泡沫鋁迅速壓實(shí),壓實(shí)過程中泡沫鋁吸收的能量低于加載應(yīng)力波的能量,所以經(jīng)泡沫鋁作用后傳遞到輸入桿的應(yīng)力值較高,并略大于鋁板傳遞的應(yīng)力。

表1 不同面板材料所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波幅值、脈沖寬度及能量衰減系數(shù)Tab.1 Stress wave intensity,pulse width and energyattenuation coefficients

泡沫鋁與鋁板的復(fù)合結(jié)構(gòu)綜合了2種材料的優(yōu)點(diǎn)。加載初期應(yīng)力波以較慢的上升速率達(dá)到一相對(duì)較小的應(yīng)力幅值,保持一段時(shí)間后卸載。與同厚度泡沫鋁相比,經(jīng)復(fù)合結(jié)構(gòu)作用后最大應(yīng)力幅值大大減小;與同厚度鋁板相比,應(yīng)力波的上升沿得到明顯改善。對(duì)比鋁板+泡沫鋁與鋁板+泡沫鋁+鋁板2種復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響,發(fā)現(xiàn)這2種復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響區(qū)別不大。

材料對(duì)應(yīng)力波的防護(hù)能力可用應(yīng)力波能量衰減系數(shù)μc表示,即一定能量的應(yīng)力波EI正面通過被測(cè)材料后,應(yīng)力波能量的衰減值與初始能量的比值。利用改裝的SHPB裝置測(cè)試材料對(duì)應(yīng)力波的衰減系數(shù),如(4)式～(6)式所示。

式中:EI為加載應(yīng)力波的能量;ET為應(yīng)力波通過被測(cè)材料后傳遞到輸入桿上的能量;ΔE為材料吸收的能量;ρb、Ab、Eb分別為壓桿材料的密度、橫截面積、彈性模量;l、v分別為子彈長度、沖擊速度;x是應(yīng)力波傳播的位移,大小等于傳播速度與時(shí)間的乘積; ε(x)是應(yīng)變。

分別計(jì)算出泡沫鋁、鋁板、泡沫鋁-鋁板復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波衰減系數(shù)μc,結(jié)果如表1所示。4種面板均起到良好降低應(yīng)力波能量的作用,其中以鋁板-泡沫鋁-鋁板復(fù)合結(jié)構(gòu)的效果最佳。綜合評(píng)價(jià)4種防護(hù)材料,以泡沫鋁為代表的泡沫金屬與其他金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)不但改善應(yīng)力波的加載方式,縮短高強(qiáng)度沖擊載荷的作用時(shí)間,吸收大量應(yīng)力波能量,還大大減輕了裝置質(zhì)量。在目前各種結(jié)構(gòu)迫切需求減輕質(zhì)量的大背景下,泡沫金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)是一種防護(hù)性能較好的材料。

分別選擇不同厚度的泡沫鋁與鋁板組成復(fù)合結(jié)構(gòu),將其置于輸入桿前端,分析泡沫鋁與鋁板的厚度組合對(duì)應(yīng)力波防護(hù)能力的影響。圖6反映了增加鋁板+泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)中泡沫鋁的厚度后,輸入桿上應(yīng)力-時(shí)間曲線的變化。由圖可知,當(dāng)鋁板厚度一定時(shí),增加泡沫鋁的厚度,應(yīng)力波的上升沿時(shí)間延長、上升斜率變小,最大應(yīng)力幅值減小,但脈沖寬度變化不大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是應(yīng)力波的上升沿時(shí)間和上升速率主要由壓實(shí)之前的泡沫鋁決定,隨著厚度增加,泡沫鋁壓實(shí)所需的沖擊力越大、時(shí)間越久,在此過程中吸收的能量越多,傳遞到輸出桿上的應(yīng)力幅值減小,上升沿速率也隨之減小。

圖6 鋁板+泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)中泡沫鋁厚度對(duì)應(yīng)力波傳播的影響Fig.6 Effect of the thickness of the foam aluminum in foam aluminum-Al composite structure on stress wave propagation

圖7反映了鋁板+泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)中,鋁板厚度對(duì)應(yīng)力波防護(hù)能力的影響。由圖7可知,鋁板從1 mm增加到3 mm后,應(yīng)力波的應(yīng)力-時(shí)間曲線重合較好,最大應(yīng)力幅值、脈沖寬度及上升沿都沒有明顯變化。分析原因,當(dāng)泡沫鋁厚度一定時(shí),經(jīng)不同復(fù)合結(jié)構(gòu)作用后,傳遞到輸入桿的應(yīng)力波最大應(yīng)力幅值主要受鋁板強(qiáng)度的影響,而鋁板強(qiáng)度與試樣厚度幾乎沒有關(guān)系;上升沿情況是由泡沫鋁的厚度決定,泡沫鋁厚度一定時(shí),上升沿變化不大。綜合以上結(jié)果可知,鋁板+泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)中,鋁板厚度大小對(duì)應(yīng)力波傳播影響較小。

圖7 鋁板+泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)中鋁板厚度對(duì)應(yīng)力波傳播的影響Fig.7 Effect of the thickness of Al in foam aluminum-Alcomposite structure on stress wave propagation

將3種不同相對(duì)密度泡沫鋁的鋁板+泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)置于輸入桿前端,研究泡沫鋁相對(duì)密度對(duì)材料應(yīng)力波防護(hù)能力的影響,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,泡沫鋁相對(duì)密度從0.166增加到0.220后,傳遞到輸入桿上的應(yīng)力波幅值降低,上升沿斜率變緩,高強(qiáng)度應(yīng)力波作用時(shí)間減小。這是因?yàn)殡S著相對(duì)密度的增加,泡沫鋁承載的屈服強(qiáng)度、平臺(tái)應(yīng)力升高,壓實(shí)過程中吸收應(yīng)力波能量也隨之增大,如圖9所示。田杰[5]通過數(shù)值模擬不同相對(duì)密度的泡沫鋁中應(yīng)力波的衰減規(guī)律,同樣得到高密度泡沫鋁的沖擊衰減系數(shù)比低密度泡沫鋁的大。因此,輸入桿上的應(yīng)力幅值降低,應(yīng)力波的上升沿上升緩慢。此外,泡沫鋁相對(duì)密度對(duì)應(yīng)力波的脈沖寬度和上升沿時(shí)間影響較小。

圖8 相對(duì)密度對(duì)泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力波傳播特性的影響Fig.8 Effect of the relative density of foam aluminum on stress wave propagation

圖9 相對(duì)密度對(duì)泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)吸能量的影響Fig.9 Effect of the relative density of foam aluminum on energy absorption

3 結(jié)論

采用傳統(tǒng)和改進(jìn)的SHPB裝置對(duì)泡沫鋁及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波防護(hù)性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明:

1)泡沫鋁作夾層時(shí),可使入射波分多次傳入背板,延緩了應(yīng)力波到達(dá)時(shí)間,減小了每次傳遞到背板的應(yīng)力波強(qiáng)度,縮短了高強(qiáng)度應(yīng)力波的作用時(shí)間,降低了材料因受強(qiáng)沖擊載荷作用提前破壞的可能性。隨著泡沫鋁厚度增加,應(yīng)力波衰減作用逐漸明顯。

2)鋁板+泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)作為面板時(shí),綜合了泡沫鋁與鋁板二者的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)力波上升緩慢,最大應(yīng)力幅值減小,同時(shí)吸收大量能量,對(duì)后面結(jié)構(gòu)起到充分的保護(hù)作用。

3)鋁板+泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)作為面板時(shí),增加泡沫鋁厚度,應(yīng)力波的上升沿時(shí)間延長、斜率減小,應(yīng)力幅值減小,但脈沖寬度變化不大;增加鋁板厚度,對(duì)應(yīng)力波傳播影響較小。

4)增加鋁板+泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)中泡沫鋁的相對(duì)密度,應(yīng)力波的上升沿斜率減小,應(yīng)力幅值降低,吸收應(yīng)力波能量增加,但應(yīng)力波的上升沿時(shí)間和加載寬度變化較小。

References)

[1] Gibson L J,Ashby M F.Cellular solids.structure and properties [M].2nd ed.UK:Cambridge University Press,1997.

[2] 董永香,黃晨光,段祝平.多層介質(zhì)對(duì)應(yīng)力波傳播特性影響分析[J].高壓物理學(xué)報(bào),2005,19(1):59-65.

DONG Yong-xiang,HUANG Chen-guang,DUAN Zhu-ping.A-nalysis on the influence of multi-layered media on stress wave propagation[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2005, 19(1):59-65.(in Chinese)

[3] 石少卿,劉仁輝,汪敏.鋼板-泡沫鋁-鋼板新型復(fù)合結(jié)構(gòu)降低爆炸沖擊波性能研究[J].振動(dòng)與沖擊,2008,27(4):143 -146.

SHI Shao-qing,LIU Ren-hui,WANG Min.Shock wave reduction behavior of a new compound structure composed of a foam Aluminum layer between two steel plates[J].Journal of Vibration and Shock,2008,27(4):143-146.(in Chinese)

[4] 王宇新,顧元憲,孫明.沖擊載荷作用下多孔材料復(fù)合結(jié)構(gòu)防爆理論計(jì)算[J].兵工學(xué)報(bào),2006,27(2):375-379.

WANG Yu-xin,GU Yuan-xian,SUN Ming.Blast-resistant calculation of compound structure with porous material under impact load[J].Acta Armamentari,2006,27(2):375-379.(in Chinese)

[5] 田杰.泡沫鋁的沖擊波衰減和抗爆震特性研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

TIAN Jie.Effect of energy absorption capacity and blast resistant of foam Al[D].Hefei:University of Science and Technology of China,2006.(in Chinese)

[6] Gupta Y M,Ding J L.Impact load spreading in layered materials and strctures:concept and quantitative measure[J].International Journal of Impact Engieering,2002,27:277-291.

[7] 王禮立.應(yīng)力波基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985.

WANG Li-li.The foundation of stress wave[M].Beijing:National Defense Idustry Press,1985.(in Chinese)

Research on Protective Performance of Foam Aluminum Composite Structure against Stress Wave

YANG Dong-li1,WANG Lin1,YANG Jie2,ZHAO Deng-hui1
(1.School of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;
2.Test Center,the First Research Institute of Ministry of Public Security,Beijing 100048,China)

The protective performance of foam aluminum-Al composite structures with different densities and thicknesses are investigated with conventional and improved split Hopkinson pressure bars(SHPB). The experimental results demonstrate that,when foam Aluminum is used as interlayer,the primary stress wave is divided into several stress waves.The time of stress wave arriving at a back plate is postponed, and the wave intensity decreases.The impact of stress wave decreases more clearly with the increase in thickness of interlayer.When foam aluminum-Al composite structure is used as faceplate,the pulse width broadens,the rising edge is improved,and the wave intensity reduces.At the same time,the foam aluminum-Al composite structures can absorb a large part of impact energy,which can be served as stress wave protective material.With the increase in thickness and relative density of the foam aluminum,the wave shaping effect is more significant.The wave intensity reduces,the rising slop becomes flat,however the stress wave pulse changes little.The influence of Al plate thickness on composite structure can be ignored.

metallic material;foam Aluminum composite structure;stress wave protective performance; relative density

TG146.2

:A

1000-1093(2014)01-0096-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.01.014

2013-03-11

楊冬麗(1986—),女,碩士研究生。E-mail:yldzxf621@163.com;

王琳(1971—),女,副教授,博士。E-mail:lindawang_bit@bit.edu.cn