撞擊載荷下泡沫鋁夾層板的動力響應*

宋延澤,王志華,趙隆茂,趙勇剛

(太原理工大學應用力學與生物醫學工程研究所,山西 太原030024)

1 引 言

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

Z.Xue 等[2-3]對爆炸載荷作用下固支夾層圓板和等質量實體板的抗撞擊性能進行了比較分析,針對3 種不同的芯層拓撲結構(角錐桁架、方孔蜂窩及折皺板)進行了優化設計,其目標參數包括:芯層與面板厚度、芯層高跨比及其相對密度。研究表明,與等質量實體板相比,優化后的夾層板能夠承受更強的爆炸載荷作用,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,并應用有限元方法驗證了分析模型的正確性。研究結果表明,芯層壓縮強度和面板應變強化對結構響應的影響不大。ZH U Feng 等[5]研究了爆炸載荷作用下鋁蜂窩夾層板的動態響應,給出了變形和失效模式,重點研究了面板厚度、孔徑尺寸、孔壁厚度及炸藥當量對結構響應的影響,并進行了有限元分析,與實驗結果取得了較好的一致性。在實驗基礎上,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,此時結構的其余部分保持靜止;第2 階段是芯層壓縮過程,假設后面板保持不動;第3 階段為結構整體變形。應用解析模型,考慮了長寬比、芯層相對密度及芯層厚度等參數,對結構進行了優化設計。

實驗研究三明治結構在強沖擊載荷作用下的動力學特性和失效機理時主要采用爆炸加載獲得強沖擊載荷。實驗中使用炸藥這一高能物質有許多困難:安全性差、需要專用場地,技術復雜等,特別是難以精確得到預先設定的沖量。為了能在常規實驗室條件下頻繁地驗證模型和對設計原型進行實驗研究,急需發展一種簡單、經濟和安全的動態實驗加載技術,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,坍塌壓力幅值從準靜態的幾兆帕可增加到幾百兆帕的量級(由于沖擊波的傳播,當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生強壓力脈沖模擬炸藥爆炸產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。應用該實驗技術,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進行了數值模擬分析,計算結果與實驗數據吻合較好。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行撞擊實驗,并進行了有限元分析。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量實體板在撞擊載荷下的動態響應。結果表明,夾層板前面板累積的塑性應變大于實體板,這是導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響應,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制,重點研究了夾層板的吸能特性及板內各部分的吸能變化規律。

強動載荷下多孔金屬夾層結構的動力響應已成為當前學術界研究的焦點。但是,該領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作進一步系統深入的研究。

本文中應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量實體方板的動力響應和失效。其中夾層結構的面板為鋁合金板,芯層為泡沫鋁。分別應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,屈服強度75 MPa。泡沫鋁芯層為安徽虹波金屬材料公司生產的泡沫鋁板材;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,屈服強度1.5 MPa。使用HY-914 膠將上面板、芯層和下面板粘接構成實驗試件。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)與等質量實體板(h=2.0 mm)響應的影響;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 實驗結果與分析

3.1 變形及失效模式

與實心結構相比較,多孔金屬夾層結構除了具有較高的比剛度和比強度的特點外,一個顯著的特點是會以不同的模式失效,從而對應不同結構承載能力和能量吸收能力。為了直觀了解結構的性能,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 個不同區域。在子彈作用區域表現出局部壓縮,而在撞擊的周邊區域則表現出整體的大變形。ZH U Feng 等[5]在爆炸加載夾層板的實驗中也觀察到類似現象。

前面板的失效主要集中于子彈作用區域,根據夾層板構成的不同,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為子彈作用區域的大變形(沒有破壞),變形區域的大小主要取決于子彈沖量的大小;而侵徹失效表現為局部的破裂,破壞程度與子彈質量、撞擊速度、面板厚度及芯層厚度有關。

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

芯層壓縮表現出一個漸進破壞的變形模式(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,可分為壓縮區和無壓縮區。但壓縮主要發生在承載中心區域,該區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,芯層完全可能進入密實化。在加載區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。在距離受載區域較遠處以及固支邊,泡沫芯層幾乎沒有發生任何變化,該區域我們定義為無壓縮區域。此外,芯層較薄時,加載區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生的沖擊波傳到后面板時,后面板開始產生變形,而且撓度在550 μs 左右達到最大值,之后部分變形恢復。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

多孔金屬夾層板常常被用于工程防護結構中,被保護人員和物品往往置于夾層板后面板的一側,因此結構在承受強動載荷作用時將其“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。參數研究包括沖量、面板厚度、泡沫芯層密度及泡沫芯層厚度對結構變形的影響,為結構優化設計提供參考。

3.2.1 沖量對結構變形/失效的影響

為了比較泡沫鋁夾層板與等質量單層鋁板的抗撞擊性能,應用泡沫子彈撞擊加載技術,進行了芯層厚度為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。其中子彈質量近似相等,撞擊速度范圍為50 ～203 m/s。與夾層板等質量單層鋁板的厚度為2 mm,材料性質與夾層板面板的相同,試件數量為10 個。量綱一化的夾層板后面板(或實體板)中心點的最終撓度)隨量綱一化沖量其中Ac為子彈作用區域的面積,σf和ρf分別為面板材料的屈服強度和密度)的變化關系如圖10 所示。在本文研究的沖量范圍內,夾層板與等質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,與等質量的實體板相比,泡沫鋁夾層板具有優越的抗撞擊性能,在結構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,從而達到防護的目的。擬合實驗數據點,可得到夾層板后面板的撓度與沖量之間的近似關系

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,a=8.65 mm/(N·s),b=-9.21 mm。

3.2.2 面板厚度對結構變形/失效的影響

圖10 沖量與面板厚度對結構的影響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致了夾層板質量的增加。那么,如何較好地處理強度與質量的關系將是夾層結構設計中需要重點考慮的內容之一。

3.2.3 芯層厚度對結構變形/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之一,為了吸收更多的因撞擊產生的巨大能量應盡可能增加芯層的厚度,然而,芯層變厚會增加整個結構的質量,因此,如何恰當選用夾層板的芯層厚度在結構設計中也很重要。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構響應的影響。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構的承載能力。結合前文中關于面板厚度的研究可以發現,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,但無一例外地導致了結構質量的增加,平衡二者與結構質量之間的關系非常重要。

3.2.4 芯層密度對結構變形/失效的影響

泡沫材料具有良好的壓縮性,將其應用于多孔金屬夾層結構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構的抗撞擊性。相對密度是描述泡沫材料性能的主要參數,因此了解泡沫芯層的密度對夾層結構抗撞擊性能的影響是一項重要的研究內容。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)的影響規律,如圖11 所示。為了更加清楚地描述二者之間的變化關系,將實驗數據點進行擬合,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,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構產生了一定的作用,因此適當增加夾層結構芯層密度也是一種提高夾層結構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域。前面板主要表現為子彈作用區域壓縮變形,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域也可分為壓縮失效和剪切失效,在與中心區域較近的周邊區域有較小的壓縮區域,而在接近固支邊的區域則沒有壓縮。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,與等質量的實體板相比,泡沫金屬夾層板具有優越的抗撞擊性能,在結構中適當采用可以達到較好的效果。結構響應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系。

(3)夾層結構設計中,面板厚度和芯層厚度是較容易控制的2 個參數。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,工程防護結構中,在條件允許的情況下,通過適當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其中的人員或物體。

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