多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)的抗爆性能研究

郭雨晨，趙桂平

(1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院，西安 710049)(2.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

0 引 言

多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)具有低密度、高比剛度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的吸能特性等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空、車輛、航海、軍工以及其他領(lǐng)域。近年來，由于恐怖主義的蔓延，對這種復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆性能的研究需求日趨迫切，尤其是在航空領(lǐng)域，由于飛行器的特殊性，爆炸防護(hù)顯得尤為重要。

國內(nèi)外已對金屬面板夾金屬泡沫芯的復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值研究[1-6]。但是由于加工技術(shù)的限制、金屬泡沫結(jié)構(gòu)的缺陷(例如胞壁的彎曲、皺褶及不均勻的質(zhì)量分布等)，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)具有低劣的力學(xué)性能[7-8]。而由金屬空心小球組成的結(jié)構(gòu)則代表了一種新型多孔材料類型[9]。O.Friedl等[9]對某種金屬空心小球進(jìn)行了密度效應(yīng)和拉伸壓縮變形行為的實(shí)驗(yàn)研究；J.Fan等[10]針對隨機(jī)排列金屬空心小球和梯度變化金屬空心小球結(jié)構(gòu)提出了三種3D模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬以研究其壓縮性能。目前，關(guān)于這種空心小球夾芯結(jié)構(gòu)的能量吸收效果及抗爆性能的研究仍鮮有報道。

本文通過實(shí)驗(yàn)和有限元模擬，研究金屬空心小球和泡沫鋁兩種夾芯結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的動力響應(yīng)與能量吸收機(jī)理，并分析不同參量下夾芯結(jié)構(gòu)抗爆性能的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)研究

為了比較金屬空心小球夾芯結(jié)構(gòu)與泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)的抗爆性能，分別對金屬空心小球夾芯球殼和泡沫鋁夾芯球殼在爆炸載荷作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并對結(jié)構(gòu)的變形破壞模式進(jìn)行分析。

1.1 試 件

實(shí)驗(yàn)測試兩個金屬空心小球夾芯球殼和兩個泡沫鋁夾芯球殼的抗爆性能。每個試件由經(jīng)法蘭連接在一起的兩個半球球殼組成，每個半球球殼由內(nèi)外面板和芯層三部分組成，如圖1～圖2所示。內(nèi)外面板均為A3鋼制成，泡沫鋁的相對密度為16%，金屬空心小球材料為AISI304不銹鋼。內(nèi)面板內(nèi)直徑250 mm，厚度1 mm；外面板內(nèi)直徑316 mm，厚度1 mm，金屬空心小球內(nèi)直徑31 mm，厚度0.5 mm。所有的金屬空心小球均用熱熔膠與內(nèi)外面板黏接。實(shí)驗(yàn)中，炸藥被固定在試件的正中心，即球心。

圖1 泡沫鋁夾芯球殼

圖2 金屬空心小球球殼

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2.1 泡沫鋁夾芯球殼

試件1為泡沫鋁夾芯球殼，承受18 gTNT的爆炸載荷。實(shí)驗(yàn)后的試件1如圖3所示，可以看出：試件1被完全炸開分成兩個半球殼，但是其主體部分并沒有發(fā)生明顯變形，僅法蘭與螺栓連接部位出現(xiàn)了很大的塑性變形，表明法蘭連接部位是薄弱環(huán)節(jié)。因此，對其他試件的法蘭作了加強(qiáng)處理，寬度由最初的30 mm增加至60 mm，厚度也由2 mm增加至6 mm。

圖3 試件1實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

試件2也是泡沫鋁夾芯球殼，其承受115 gTNT的極大爆炸載荷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，球殼主體各自分開，內(nèi)面板裂成若干碎片，泡沫鋁芯體被壓縮進(jìn)入密實(shí)階段并被炸成若干小塊，外面板與法蘭直接從焊接部位分離。

1.2.2 金屬小球夾芯球殼

試件3為金屬空心小球夾芯球殼，承受18 gTNT的爆炸載荷。實(shí)驗(yàn)后的試件3如圖4所示，可以看出：試件3內(nèi)面板出現(xiàn)規(guī)則的凹陷變形，金屬空心小球發(fā)生明顯坍塌，外面板沒有明顯變形。

圖4 試件3內(nèi)面板實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

試件4亦為金屬空心小球夾芯球殼，其承受60 gTNT的爆炸載荷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，內(nèi)面板發(fā)生嚴(yán)重破壞，空心小球大部分出現(xiàn)很大的坍塌變形，一部分已被壓成扁狀，外面板內(nèi)側(cè)與小球接觸的部位有明顯凹痕但是外側(cè)無明顯變形，整個球殼完好。

從金屬空心小球夾芯球殼和泡沫鋁夾芯球殼在不同爆炸載荷作用下的抗爆性能實(shí)驗(yàn)可以看出：金屬空心小球夾芯結(jié)構(gòu)作為抗爆吸能結(jié)構(gòu)有很大的潛力，金屬空心小球可以增加整個結(jié)構(gòu)抵抗爆炸載荷的強(qiáng)度，同時其壓縮變形也可以很好地吸能減震。

2 有限元模擬

為了更深入地研究芯層梯度等參數(shù)對夾芯結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，通過有限元模擬方法對金屬空心小球夾芯結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行對比分析。

2.1 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA和任意拉格朗日歐拉算法(ALE)模擬夾芯結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的動力響應(yīng)，建模中分別設(shè)置不同的參數(shù)來考慮面板厚度組合以及芯層梯度、小球排列方式、小球幾何尺寸等變量的影響，分析結(jié)構(gòu)抗爆性能及能量吸收規(guī)律。

為了單一變量，每組參量研究中，炸藥質(zhì)量、炸藥離夾芯結(jié)構(gòu)的距離、結(jié)構(gòu)幾何尺寸與質(zhì)量均保持不變。

2.1.1 幾何模型

夾芯球殼內(nèi)徑11.6 cm，外徑16.4 cm，內(nèi)外面板厚度均為0.2 cm。TNT炸藥固定于夾芯球殼正中心。由于夾芯球殼的對稱性和出于方便計算考慮，有限元模型中僅建立二分之一對稱模型，如圖5所示。

圖5 金屬空心小球夾芯球殼模型圖

2.1.2 模型材料與接觸設(shè)置

面板采用雙線性隨動強(qiáng)化彈塑性材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC進(jìn)行描述，密度(ρ)為7.85 g/cm3，楊氏模量(E)為210 GPa，泊松比(λ)為0.3，屈服強(qiáng)度(σ)為240 MPa。泡沫鋁采用蜂窩模型*MAT_HONEYCOMB，密度為0.531 9 g/cm3，楊氏模量為70 MPa，泊松比為0.285，應(yīng)力應(yīng)變曲線可參見文獻(xiàn)[11]。金屬空心小球采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型，密度為8.06 g/cm3，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為400 MPa。TNT炸藥采用高性能炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和狀態(tài)方程*EOS_JWL描述?？諝獠糠謩t用*MAT_NULL和線性多項式狀態(tài)方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL描述，具體參數(shù)可見文獻(xiàn)[3]。

實(shí)驗(yàn)中，小球用熱熔膠黏接在內(nèi)外面板之間，故有限元模型中，設(shè)定金屬空心小球理想連接在內(nèi)外面板之間，不考慮摩擦效應(yīng)。金屬空心小球與內(nèi)外面板之間均為侵蝕面面接觸*CONTACT_ ERODING_ SURFACE _TO_SURFACE模型，小球之間選用自動面面接觸*CONTACT_ AUTOMATIC_ SURFACE_ TO _ SURFACE模型。

2.2 有限元結(jié)果與分析

2.2.1 面板厚度組合

為了研究不同面板厚度組合方式對結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，分析五種不同面板厚度組合夾芯球殼在20 g炸藥下的動力響應(yīng)。五種組合方式的面板總厚度均為4 mm，為了簡化標(biāo)記，用內(nèi)面板厚度+外面板厚度代表每一種組合方式，例如0.4+3.6代表內(nèi)面板厚度為0.4 mm、外面板厚度為3.6 mm的夾芯球殼。

球殼外面板的位移時程圖和夾芯球殼各部分吸能圖如圖6～圖7所示。

圖6 不同面板厚度夾芯球殼外面板位移時程圖

圖7 不同面板厚度夾芯球殼各部分吸能情況

從圖6～圖7可以看出：隨著內(nèi)面板厚度逐漸增加，外面板的位移逐漸減小，這是由于面板強(qiáng)度和剛度均比芯層大，較厚的內(nèi)面板最先受到?jīng)_擊，可以更好地緩沖爆炸載荷，但是厚內(nèi)面板承受了大部分能量，芯層未充分變形從而發(fā)揮作用；隨著內(nèi)面板厚度逐漸增加，夾芯球殼整體吸能減少，而且芯層吸能所占百分比大幅減少。

2.2.2 芯層材料

模擬比較金屬空心小球夾芯球殼與泡沫鋁夾芯球殼在50 gTNT載荷下的動態(tài)響應(yīng)。

兩種夾芯球殼外面板的位移時程圖與吸能圖如圖8～圖9所示。

圖8 不同芯層的夾芯球殼外面板位移時程圖

圖9 不同芯層的夾芯球殼各部分吸能情況

從圖8～圖9可以看出：小球夾芯球殼抵抗變形的能力與吸能性能均劣于泡沫鋁夾芯球殼，泡沫鋁夾芯球殼的內(nèi)面板已經(jīng)被劇烈破壞但是小球夾芯球殼的內(nèi)面板仍然完好。這是由于泡沫鋁夾芯球殼內(nèi)面板破裂，泡沫鋁夾芯承受了較大的載荷壓縮變形，外面板所受的沖擊較??；而空心小球的剛度比泡沫鋁高，變形沒有泡沫鋁大，空心小球夾芯球殼的吸能主要靠內(nèi)面板，夾芯和外面板均僅吸收小部分能量。

作為傳統(tǒng)的多功能材料，泡沫鋁已被深入地研究且廣泛地應(yīng)用于眾多行業(yè)。金屬空心小球作為一種新型的多孔材料因其可設(shè)計性與成熟的加工工藝也得到了越來越多的關(guān)注。金屬空心小球夾芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，但是泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)具有更好的抗爆吸能的特性。

2.2.3 芯層梯度

為了簡便計算，芯層為多層金屬空心小球的夾芯結(jié)構(gòu)選用夾芯平板來研究。

夾芯板長寬均為12 cm，厚3.4 cm，其中上下面板均厚0.2 cm。夾芯板四周固支，TNT炸藥固定于距夾芯板上面板4 cm處。由于結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，有限元模型中僅建立四分之一對稱模型，如圖10所示。

圖10 金屬空心小球夾芯板模型圖

夾芯結(jié)構(gòu)的芯層梯度變化通過保持小球外徑不變而改變小球壁厚達(dá)到，如圖11～圖12所示，正梯度夾芯板的小球壁厚沿沖擊方向增加，負(fù)梯度板則相反，均勻芯夾芯板的小球壁厚不變。

圖11 正梯度夾芯板

圖12 負(fù)梯度夾芯板

在20 g炸藥量下三種夾芯板后面板中心點(diǎn)位移與各部分吸能情況如圖13～圖14所示。

圖13 不同梯度夾芯板后面板中心點(diǎn)位移時程圖

圖14 不同梯度夾芯板各部分吸能情況

從圖13可以看出：三條位移曲線均在220 μs左右到達(dá)峰值然后衰減波動，其中負(fù)梯度芯夾芯板中心點(diǎn)位移始終最小，均勻芯其次，正梯度芯夾芯板中心點(diǎn)位移最大。

從圖14可以看出：負(fù)梯度夾芯板整體吸能最多，正梯度其次，均勻芯最少；同時負(fù)梯度的三層夾芯小球吸收了幾乎相同的能量，可以更好地利用芯層吸能。

2.2.4 芯層小球排列方式

考慮兩種金屬空心小球的排列方式——并列型與交錯型，分別如圖15～圖16所示。

圖15 并列型夾芯

圖16 交錯型夾芯

在20 g炸藥量下兩種不同排列方式夾芯板的位移與吸能結(jié)果如圖17～圖18所示，可以看出：并列型夾芯板比交錯型夾芯板的變形更小，且能吸收更多的能量。

圖17 不同芯層排列方式夾芯板后面板中心點(diǎn)位移時程圖

圖18 不同芯層排列方式夾芯板各部分吸能情況

2.2.5 空心小球半徑

保持芯層總厚度不變，分別考慮空心小球分別為3、4、5層的情況。為了使芯層質(zhì)量相同，空心小球內(nèi)外徑同時改變，其中3層時內(nèi)外徑為8.5、10 mm，4層時內(nèi)外徑為6.375、7.5 mm，5層時內(nèi)外徑為5.1、6 mm，即芯層的層數(shù)越多，小球的內(nèi)外徑與厚度越小。

在20 g炸藥量下三種不同半徑小球夾芯板的位移與吸能結(jié)果如圖19～圖20所示。

圖19 不同小球半徑夾芯板后面板中心點(diǎn)位移時程圖

圖20 不同小球半徑夾芯板各部分吸能情況

從圖19～圖20可以看出：3層夾芯板的后面板位移峰值比4層夾芯板多17%，比5層夾芯板多40%；三種夾芯板的整體吸能數(shù)值沒有很大差異，但是3、4、5層夾芯板的芯層吸能占比分別為82%、92%、95%，即隨著小球半徑的減小，芯層吸能占比逐漸增大。

3 結(jié) 論

(1) 金屬空心小球夾芯結(jié)構(gòu)作為抗爆吸能結(jié)構(gòu)是可行的，其薄弱環(huán)節(jié)(例如焊接部位)極大地限制了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與吸能性能，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對這些連接部位作加強(qiáng)處理。

(2) 在結(jié)構(gòu)幾何尺寸與質(zhì)量相同時，內(nèi)面板厚外面板薄的夾芯結(jié)構(gòu)具有更好的抗變形能力，而內(nèi)面板薄外面板厚的夾芯板則具有更好的吸能特性。

(3) 小球夾芯結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度更高，而泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)能更充分地發(fā)揮芯層的緩沖性能。

(4) 負(fù)梯度夾芯結(jié)構(gòu)、并列型小球夾芯結(jié)構(gòu)、小半徑小球夾芯結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出更好的抵抗爆炸載荷和吸收沖擊能量的性能。