層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波傳播規(guī)律及能量耗散機制研究

鄒有純， 熊 超， 殷軍輝， 鄧輝詠， 崔凱波

(陸軍工程大學(xué)(石家莊校區(qū)) 火炮工程系，河北 050003)

層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)由兩種及以上具有不同機械性能的材料組成。研究表明，層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)在承受外部載荷時表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能[1-2]。與均質(zhì)材料相比，層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕，抗沖擊性能更好并且更具設(shè)計性。由于輕質(zhì)和良好的抗沖擊性能，層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)近年來在軍事防護，汽車工業(yè)和航空航天工業(yè)中受到了廣泛應(yīng)用[3]。

為了深入研究層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，學(xué)者們對層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)行為進行了廣泛的研究。目前，應(yīng)用較多的防護結(jié)構(gòu)的形式包括陶瓷/纖維復(fù)合材料[4]，陶瓷/金屬[5-6]。測試方法多集中于侵徹和損傷效應(yīng)的評估。為了充分發(fā)揮層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，有必要運用材料的動態(tài)力學(xué)理論指導(dǎo)工程實踐。固體在沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)本質(zhì)上是固體質(zhì)點的慣性效應(yīng)和材料本構(gòu)關(guān)系的應(yīng)變率效應(yīng)，通?？梢酝ㄟ^應(yīng)力波傳播特性來分析材料的動態(tài)壓縮性能[7-8]。然而，目前對層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)動態(tài)力學(xué)性能的研究主要集中在侵徹和損傷效應(yīng)的評估方面，很少涉及應(yīng)力波傳播特性的研究。

泡沫鋁等金屬多孔材料憑借良好的吸能減震性能，普遍應(yīng)用于抗沖擊結(jié)構(gòu)中。肖先林等[9]通過子彈沖擊試驗總結(jié)出了碳纖維-泡沫鋁夾芯板的失效形式，并通過有限元方法發(fā)現(xiàn)提高芯層的相對密度，剛度和強度能增強夾芯板抵抗沖擊變形的能力，但是由于整體變形較小，不利于吸能。沈佳興等[10]設(shè)計了泡沫鋁填充的礦用救生艙，通過ANSYS Workbench對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)果表明泡沫鋁填充顯著地減小了救生艙碰撞時的最大變形和最大加速度，提高了救生艙的碰撞性能。張元豪等[11]通過中低速破片模擬彈的侵徹試驗總結(jié)了泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)的損傷機制，并分析了背板層厚度對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)防護性能的影響。目前，對由泡沫鋁組成的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究相對成熟，其抗沖擊性能的提高空間小。為了開發(fā)具有更強的抗沖擊性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)，需要應(yīng)用新的材料。金屬絲纏繞材料(entangled metallic wire material,EMWM)是通過沖壓纏結(jié)的金屬絲制成的一種特殊的多孔金屬材料。金屬絲纏繞材料彈性好，并且較高孔隙率有助于吸收沖擊波能量[12]。EMWM在真空，高低溫等復(fù)雜環(huán)境下具有良好的阻尼性能，在航空航天，海洋船舶等特種裝備領(lǐng)域的減震和隔震裝置得到廣泛應(yīng)用。目前對EMWM的研究主要集中于宏觀力學(xué)性能及其形成機理[13]，力學(xué)性能[14-17]及其影響因素[18-20]，制造工藝[21-22]等。本研究探索了EMWM在抗沖擊領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，對于3種及以上材料的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力波傳播特性的研究還很少，而且很少將EMWM應(yīng)用于抗沖擊領(lǐng)域。基于抗沖擊結(jié)構(gòu)的基本形式，采用碳化硅陶瓷(SiC)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和鈦合金(TC4)設(shè)計了SiC/UHMWPE/TC4和SiC/TC4/UHMWPE復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過SHPB(split-Hopkinson pressure bar)試驗和數(shù)值模擬分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)的破壞模式和應(yīng)力波傳播特性?；贓MWM的優(yōu)異的吸能特性，研究了EMWM層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)性能，討論了材料的排列順序?qū)?fù)合結(jié)構(gòu)動態(tài)力學(xué)性能的影響。最后分析了4種復(fù)合結(jié)構(gòu)的能量耗散機制。本研究對層狀復(fù)合防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和性能提高具有指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 材 料

如圖1所示，制備復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料包括碳化硅陶瓷(SiC)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和鈦合金(TC4)。根據(jù)SHPB的規(guī)格，材料切割為直徑40 mm的圓柱體。SiC, UHMWPE, TC4的厚度分別為5 mm，5 mm和6 mm。

(a) 碳化硅陶瓷

基于復(fù)合防護結(jié)構(gòu)合理的組合形式，設(shè)計了表1中的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。SiC由于高硬度和高強度，通常用作復(fù)合結(jié)構(gòu)的面板。但是，SiC陶瓷易碎并且抗拉強度低，需要與其他材料組合使用。UHMWPE具有高的比強度和比模量，可以抵抗沖擊并消耗剩余能量。TC4用于復(fù)合防護結(jié)構(gòu)中可以進一步提高防護性能。UHMWPE和TC4置于不同的位置以討論材料的排布順序?qū)?fù)合結(jié)構(gòu)動態(tài)力學(xué)性能的影響。不同材料間的界面用凡士林黏合。

1.2 方 法

1.2.1 SHPB測試

如圖2所示，高速沖擊試驗在SHPB裝置上進行。壓桿為直徑45 mm的7075鋁合金桿。撞擊桿，入射桿和透射桿的長度分別為400 mm，2 500 mm和2 500 mm。使用德國PCO公司生產(chǎn)的PCO.1200hs高速攝像機拍攝整個沖擊過程。撞擊桿的沖擊速度為30 m/s。為了保證試驗結(jié)果的準確性，每種結(jié)構(gòu)分別準備了3個試樣，并取3次測試結(jié)果的平均值。

表1 層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖2 SHPB裝置示意圖

1.2.2 有限元模型

使用LSDYNA軟件進行有限元分析。通過8節(jié)點solid164單元建立模型，模型的物理幾何參數(shù)與試驗條件保持一致。整個模型設(shè)置為只有軸向一個自由度。壓桿的網(wǎng)格尺寸為1 mm，復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣的網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。撞擊桿加載速度設(shè)置為30 m/s。不同實體之間的接觸由*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACE_TO_SURFACE定義。壓桿采用各向同性線性彈性材料模型*MAT_ELASTIC_TITLE定義，密度為2.81 g/cm3，彈性模量為71 GPa，泊松比0.33。SiC，UHMWPE和TC4的模型參數(shù)如表2～表4所示。

表2 SiC的*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS參數(shù)[23]

2 結(jié)果和討論

2.1 試驗結(jié)果與模擬結(jié)果

圖3表示通過SHPB試驗和數(shù)值模擬獲得的復(fù)合結(jié)構(gòu)的入射，反射和透射信號。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合，可以通過建立有限元模型研究復(fù)合結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)行為。本文中，透射率定義為透射波的波峰與入射波的波峰的比值。復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ的透射率分別為0.82和0.88，證明材料的排列會影響復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波耗散性能。

表3 UHMWPE的*MAT_COMPOSITE_DAMAGE參數(shù)[24]

表4 TC4的*MAT_JOHNSON_COOK參數(shù)

2.2 破壞模式分析

圖4是沖擊過程中復(fù)合結(jié)構(gòu)I的高速攝影圖像和應(yīng)力云圖。本文中所有高速攝影圖像和應(yīng)力云圖中壓桿的沖擊方向如圖4(a)所示，首先受到?jīng)_擊的是SiC。如圖4所示，當(dāng)應(yīng)力波到達復(fù)合結(jié)構(gòu)I時，SiC開始失效。從圖4(a)、圖4(b)的應(yīng)力云圖可以看出，SiC與UHMWPE的界面處存在拉伸應(yīng)力。由于SiC的波阻抗高于UHMWPE的波阻抗[25-26]，應(yīng)力波在SiC和UHMWPE的界面處以拉伸應(yīng)力波的形式反射，從而導(dǎo)致SiC的拉伸破壞。UHMWPE的硬度低，可為SiC提供緩沖。因此，SiC首先在UHMWPE表面破裂成塊狀，之后崩落。

圖4 結(jié)構(gòu)Ⅰ 碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/鈦合金

圖5是復(fù)合結(jié)構(gòu)II的高速攝影圖像和應(yīng)力云圖。復(fù)合結(jié)構(gòu)II中的SiC處于崩落狀態(tài)，且SiC碎片比復(fù)合結(jié)構(gòu)I中的小。上述破壞模式表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)II中SiC的破壞程度高于復(fù)合結(jié)構(gòu)I中的SiC的破壞程度。SiC，TC4，UHMWPE和EMWM的波阻抗排布為SiC>TC4>UHMWPE>EMWM，因此從圖5(a)的應(yīng)力云圖可以看出，SiC與TC4界面處同樣存在拉伸應(yīng)力。此外，SiC的背板是TC4，硬度更高。給予SiC較強的支撐力。上述兩個因素導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)II中SiC的破壞程度高于復(fù)合結(jié)構(gòu)I中SiC的破壞程度。

2.3 應(yīng)力波傳播特性

為了進一步研究復(fù)合結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)，通過有限元方法計算出了復(fù)合結(jié)構(gòu)在應(yīng)力波傳播過程中的應(yīng)力分布。所選時刻處于應(yīng)力波首次傳播通過復(fù)合結(jié)構(gòu)的過程中。圖6表示復(fù)合結(jié)構(gòu)I在不同時刻的軸向應(yīng)力分布。在橫坐標中，L代表復(fù)合結(jié)構(gòu)的總長度，x/L代表復(fù)合結(jié)構(gòu)的不同位置(x/L=0表示入射桿與SiC之間的界面；x/L=1表示TC4和透射桿之間的界面；x/L=1/3表示SiC和UHMWPE之間的界面；x/L=2/3表示UHMWPE和TC4之間的界面)。從圖6可以看出，SiC的應(yīng)力分布不均勻，并且在加載過程中存在應(yīng)力波動。在應(yīng)力劇烈波動的區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致SiC內(nèi)部產(chǎn)生裂紋源并降低SiC的破壞強度。UHMWPE的軸向壓應(yīng)力逐漸減小，在TC4和UHMWPE的界面處形成拉應(yīng)力。界面處的拉應(yīng)力會破壞界面并加劇材料的損傷。

圖5 結(jié)構(gòu)Ⅱ 碳化硅陶瓷/鈦合金/超高分子量聚乙烯

圖6 結(jié)構(gòu)Ⅰ的應(yīng)力分布

圖7表示復(fù)合結(jié)構(gòu)II的軸向應(yīng)力分布。復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ中的SiC的應(yīng)力分布范圍和應(yīng)力值均小于復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ。然而，復(fù)合結(jié)構(gòu)II中的TC4對SiC產(chǎn)生了較強的支撐作用，導(dǎo)致SiC的破壞程度更高。TC4的應(yīng)力先增大，然后趨于均勻。TC4和UHMWPE之間存在較小的應(yīng)力波動。UHMWPE的應(yīng)力逐漸降低。與復(fù)合結(jié)構(gòu)I相比，復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ中的界面處的應(yīng)力較小并且過渡更平滑。TC4和UHMWPE的軸向應(yīng)力分布相對均勻，可以避免由于嚴重的應(yīng)力波動而破壞材料。

2.4 金屬絲纏繞材料夾芯結(jié)構(gòu)

金屬絲纏繞材料(EMWM) 如圖8所示。本研究中，將EMWM置于UHMWPW和TC4之間來研究EMWM復(fù)合結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)性能?；趶?fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ的形式，設(shè)計了表5中的復(fù)合結(jié)構(gòu)。EMWM由絲徑為0.3 mm的0Cr10Ni9不銹鋼絲沖壓而成。EMWM試樣厚度10 mm，橫截面直徑為40 mm，密度為2.37 g/cm3。

圖7 結(jié)構(gòu)Ⅱ的應(yīng)力分布

圖8 金屬絲纏繞材料

表5 金屬絲纏繞材料復(fù)合結(jié)構(gòu)

復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅲ，Ⅳ的入射，反射和透射信號如圖9所示。將EMWM復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅲ，Ⅳ同復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ?qū)Ρ龋梢园l(fā)現(xiàn)EMWM復(fù)合結(jié)構(gòu)的透射波的上升速率，幅值和波長顯著減小，反射波幅值略小于入射波幅值。上述現(xiàn)象表明，EMWM對通過復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈性壓縮波具有遲滯效應(yīng)，并有效地阻礙和減小了應(yīng)力波的透射傳播。

圖10是復(fù)合結(jié)構(gòu)III的高速攝影圖像。通過在復(fù)合結(jié)構(gòu)I的UHMWPE和TC4之間加入EMWM制成復(fù)合結(jié)構(gòu)III。如圖10所示，復(fù)合結(jié)構(gòu)III受到?jīng)_擊時，SiC和UHMWPE開始壓縮EMWM，EMWM側(cè)向膨脹。由于UHMWPE和EMWM的緩沖作用，SiC沒有產(chǎn)生損傷。隨著進一步?jīng)_擊，EMWM達到了壓縮極限，SiC在UHMWPE表面碎裂。隨后，如圖10(d)所示，EMWM由于彈性，變形恢復(fù)。與復(fù)合結(jié)構(gòu)I相比，復(fù)合結(jié)構(gòu)III的SiC完整度更高。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)III具有比復(fù)合結(jié)構(gòu)I更好的抗沖擊性能。

圖9 試驗信號

圖10 結(jié)構(gòu)Ⅲ 碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/金屬絲纏繞材料/鈦合金

圖11是復(fù)合結(jié)構(gòu)IV的高速攝影圖像。 通過在復(fù)合結(jié)構(gòu)II中的TC4和UHMWPE之間加入EMWM制成復(fù)合結(jié)構(gòu)IV。如圖11所示，復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅳ受到?jīng)_擊時，SiC和TC4開始壓縮EMWM，EMWM側(cè)向膨脹。TC4較強的支撐作用導(dǎo)致SiC碎裂。與復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ相比，SiC在復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅳ中的破壞程度較小。與復(fù)合結(jié)構(gòu)III相比，TC4的強支撐作用導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)IV中SiC的破壞程度更高。此外，由于TC4的彈性模量大，因此在受到?jīng)_擊載荷時TC4的變形很小，這導(dǎo)致所有變形都集中在EMWM上。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)IV的EMWM的變形高于復(fù)合結(jié)構(gòu)III中EMWM的變形。

在復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ的基礎(chǔ)上加入EMWM，有效地延遲了應(yīng)力波，阻礙了應(yīng)力波的透射，減小了透射能量。SiC的損傷程度排列為Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ。EMWM的緩沖作用使得復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的SiC損傷程度分別小于復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II的SiC損傷程度。此外，TC4較強的支撐作用使復(fù)合結(jié)構(gòu)II和IV的SiC損傷程度分別大于復(fù)合結(jié)構(gòu)I和III中SiC的損傷程度。

圖11 結(jié)構(gòu)Ⅳ 碳化硅陶瓷/鈦合金/金屬絲纏繞材料/超高分子量聚乙烯

2.5 能量耗散機制

研究能量轉(zhuǎn)換過程對分析復(fù)合結(jié)構(gòu)的能量耗散機制具有重要價值。根據(jù)能量守恒定律[27]，入射能量Wi，反射能量Wr，透射能量Wt，吸收能量W，比能量吸收S和透射率Wa表示如下。

(1)

(2)

(3)

W=Wi-Wr-Wt

(4)

(5)

(6)

式中:A，C，E分別為壓桿的橫截面積、波速和彈性模量；σi，σr，σt分別為入射應(yīng)力，反射應(yīng)力和透射應(yīng)力;εi，εr，εt分別為入射應(yīng)變，反射應(yīng)變和透射應(yīng)變;T為加載時間；M為試樣的質(zhì)量。

計算結(jié)果如表6所示。由于試樣的質(zhì)量和入射能不同，應(yīng)參考復(fù)合結(jié)構(gòu)的比能量吸收S?？梢园l(fā)現(xiàn)，復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ的比能量吸收S遠大于復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅲ，Ⅳ的比能量吸收S。在沖擊復(fù)合結(jié)構(gòu)的過程中，W的主要來源是SiC的破壞，這說明復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ主要依靠SiC的破壞來耗散能量。

表6 能量轉(zhuǎn)換

結(jié)合透射能Wt，透射率Wa和反射能Wr分析復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的能量轉(zhuǎn)換機理。從表6可以看出，復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的透射能和透射率遠小于復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II的透射能和透射率，并且復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的反射能遠大于復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II的反射能。由于EMWM的波阻抗較低，EMWM的入射能量大部分被反射，導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的透射能量較低，反射能量較高。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV主要依靠反射大部分入射能量來耗散能量。

4種復(fù)合結(jié)構(gòu)的能量耗散機理可歸納為兩類：① 復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II主要依靠SiC的破壞來耗散能量，導(dǎo)致SiC產(chǎn)生嚴重破壞并且透射率較高；② 復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV主要依靠EMWM反射大部分入射能量來耗散能量，從而降低了透射率，而且SiC損傷程度低。通過對能量轉(zhuǎn)換過程的分析和兩種能量耗散機制的比較進一步證明了EMWM層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)異的抗沖擊性能。

3 結(jié) 論

本文以層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)為研究對象。建立了SHPB試驗的有限元模型，并驗證了其正確性。通過SHPB試驗和仿真，分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)的破壞模式，應(yīng)力波傳播特性和能量耗散機制。主要結(jié)論如下:

(1) 復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ中，SiC破壞程度低，界面處出現(xiàn)拉伸應(yīng)力加劇材料破壞，復(fù)合結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力波動劇烈。復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ中，SiC破壞程度高，界面處應(yīng)力小并且過渡平滑，TC4和UHMWPE的應(yīng)力分布均勻。

(2) EMWM可以有效地延遲應(yīng)力波并阻礙應(yīng)力波的透射，極大地減小透射能量。SiC的損傷程度受其背板材料的影響很大。SiC的損傷程度排列為Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ。復(fù)合材料Ⅲ，Ⅳ中的SiC損傷明顯低于復(fù)合材料Ⅰ，Ⅱ中的SiC損傷，證明EMWM的緩沖作用減小了SiC的損傷。通過進一步的比較發(fā)現(xiàn)，復(fù)合結(jié)構(gòu)III的SiC損傷低于復(fù)合結(jié)構(gòu)IV的SiC損傷。可以初步確認，應(yīng)將UHMWPE用作SiC的背板，以充分發(fā)揮UHMWPE和EMWM的緩沖作用，而TC4作為SiC的背板則不能最大程度發(fā)揮緩沖作用。復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ的SiC損傷低于復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ的SiC損傷，也可以證明這一結(jié)論。

(3) 本文復(fù)合結(jié)構(gòu)的耗能機理可以總結(jié)為兩類。復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II主要通過SiC的破壞來耗散能量，透射率高，SiC破壞程度高。復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV通過EMWM來反射大部分入射能量，透射率低，SiC破壞程度低。EMWM復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能更好，耗能機制更合理。