沖擊條件下泡沫鋁的細(xì)觀(guān)變形特征分析＊

楊 寶，湯立群，劉逸平，黃小清，劉澤佳，張純禹，魏志強(qiáng)

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510640）

泡沫鋁是一種典型的輕質(zhì)材料，具有高比強(qiáng)度、高比剛度和高能量吸收等優(yōu)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能已經(jīng)引起廣泛關(guān)注［1－7］。分離式霍普金森壓桿SHPB［1－6］和落錘［7］是動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的重要手段。但由于在這些動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，難以獲得有效的材料動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)變形圖像，泡沫鋁細(xì)觀(guān)變形特征實(shí)驗(yàn)主要在準(zhǔn)靜態(tài)下開(kāi)展［8－12］。A.F.Bastawros等［10－11］、Y.L.Mu等［12］分析了泡沫鋁在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的變形機(jī)制，并提出了相關(guān)的失效模式。當(dāng)前關(guān)于該材料動(dòng)態(tài)變形特征方面的研究，主要針對(duì)帶殘余變形的試件進(jìn)行定性分析［1－6］。但由于在SHPB實(shí)驗(yàn)中輸入桿會(huì)對(duì)試件進(jìn)行多次沖擊，試件的殘余變形和加載過(guò)程中的變形有著顯著的不同，因此殘余變形只能部分反映動(dòng)態(tài)變形特征。

高速攝影機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，不少是與SHPB配合使用的［13－17］。楊杰等［13］利用高速攝影機(jī)記錄了玻璃纖維增強(qiáng)氣凝膠，周忠彬等［14］研究了高聚物粘結(jié)炸藥（PBX）模擬材料，趙凱等［15］分析了圓環(huán)列吸能器，R.Moulart等［16］研究了環(huán)氧復(fù)合材料在SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)中的變形。在泡沫鋁的材料動(dòng)態(tài)性能方面，魏志強(qiáng)等［17］設(shè)計(jì)了一套SHPB－高速攝影機(jī)系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了在SHPB實(shí)驗(yàn)中對(duì)泡沫鋁試件進(jìn)行實(shí)時(shí)變形拍攝。另外，J.H.Shen等［7］利用高速攝像系統(tǒng)得到了泡沫鋁在落錘實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)變形圖片。

本文中，利用SHPB－高速攝影機(jī)系統(tǒng)對(duì)泡沫鋁動(dòng)態(tài)變形過(guò)程進(jìn)行拍攝，并通過(guò)圖像技術(shù)分析泡沫鋁在SHPB實(shí)驗(yàn)中的變形特征和破壞模式，重點(diǎn)考察泡沫鋁試件的變形均勻性，擬為深入了解泡沫鋁的沖擊特性和相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的有效性等提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試件制備

實(shí)驗(yàn)中所用的泡沫鋁均是由熔體發(fā)泡法制成的閉孔泡沫金屬，孔徑主要為1～5mm，具體材料參數(shù)如表1所示。通過(guò)線(xiàn)切割技術(shù)從泡沫鋁板上切割加工，線(xiàn)切割技術(shù)可以減少加工過(guò)程中對(duì)胞孔的損傷。由于泡沫鋁材料具有細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和不均勻性，為了減少不均勻性影響，選用?74mm的鋁制SHPB。同時(shí)為了更方便觀(guān)察試件表面變形的情況，試件的直徑也采用74mm。

表1 閉孔泡沫鋁試件的參數(shù)Table 1 The parameters of the closed－cell aluminum foam specimens

為了提高拍攝效果，對(duì)試件中面向高速攝影機(jī)部分的表面進(jìn)行了處理。先用黑色噴漆在試件表面噴上黑底色，然后用細(xì)毛的刷子給孔壁漆上一層白色油漆或用打磨的方法把孔壁上的黑漆除掉以獲得銀白色孔壁，如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用的SHPB－高速攝影機(jī)系統(tǒng)［17］如圖2所示。高速攝影機(jī)的最大拍攝幀頻可達(dá)105s－1，但綜合考慮時(shí)間分辨率和空間分辨率，選用幀頻2×104s－1。由于高速下的圖像對(duì)應(yīng)空間視場(chǎng)較小，且泡沫鋁表面平整度差，難以直接在試件表面做標(biāo)志進(jìn)行尺寸標(biāo)定，因此采用多次拍攝的方法標(biāo)定。首先使試件、壓桿就位，然后根據(jù)要求設(shè)置好攝像機(jī)所有參數(shù)，使攝像機(jī)處于工作狀態(tài)，然后將做了刻度標(biāo)記的入射桿前推，由高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝（見(jiàn)圖3），最后把試件推回原來(lái)位置進(jìn)行加載與拍攝。

圖1 處理前、后的試件表面Fig.1 The specimens without treatment and after treatment

圖2 SHPB－高速攝影機(jī)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2SHPB－h(huán)igh speed camera system

圖3 帶刻度的入射桿Fig.3 The marked incident bar

2 結(jié)果分析

2.1 試件的總體變形與細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形特征

圖4 是泡沫鋁試件A1 在不同沖擊時(shí)刻的變形圖像，可以看出，清楚地拍攝到了泡沫鋁試件在SHPB加載過(guò)程的變形。

圖4 試件A1在不同時(shí)刻的孔壁變形圖Fig.4 Deformations of cell walls on specimen A1at different times

在0.10ms時(shí)，試件整體的變形較小，無(wú)明顯的變化，但試件中部區(qū)域1的孔壁在壓力作用下出現(xiàn)屈曲，同時(shí)在區(qū)域2中孔壁已經(jīng)被壓彎并開(kāi)始相互接觸。在0.20ms時(shí)，區(qū)域2的孔壁發(fā)生較明顯的彎曲變形，中部區(qū)域1已屈曲孔壁的屈曲程度加劇，區(qū)域3的部分薄壁被壓密實(shí)，其他區(qū)域并未觀(guān)察到明顯的變形。在0.35ms時(shí)，第一次有效沖擊完成，此時(shí)區(qū)域1和區(qū)域2中的胞壁變形加劇，同時(shí)區(qū)域4也開(kāi)始出現(xiàn)屈曲。除此之外，隨著孔壁屈曲程度的加深，試件右邊部分有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)（見(jiàn)圖4（d）中箭頭）。在1.25ms時(shí)，開(kāi)始第二次沖擊，原先出現(xiàn)孔壁屈曲的區(qū)域1附近的a處發(fā)生了斷裂破壞。在1.35ms時(shí)，胞壁a、b、c處的破壞形成初步的破壞帶。在3.00ms時(shí)，試件A1已經(jīng)歷了三次沖擊，除了桿端的變形進(jìn)一步發(fā)展，主要的變形是沿著破壞帶不斷坍塌，形成一個(gè)大面積的破壞帶。

試件A2、A3和A4的情況與試件A1相似，第一次沖擊過(guò)程中試件的大部分變形發(fā)生在試件的兩端且試件沒(méi)有明顯的破壞，大部分的破壞是由于試件在承受多次沖擊造成的。而在SHPB 分析中常常只采用第一次沖擊進(jìn)行分析，這與實(shí)際變形情形不同。

通過(guò)對(duì)沖擊過(guò)程中試件變形圖片的觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁動(dòng)態(tài)下的破壞模式與準(zhǔn)靜態(tài)下的類(lèi)似。我們歸納，主要變形破壞模式有節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)變形、懸臂壁彎曲變形、剪切變形破壞、水平曲壁壓彎變形以及斜向細(xì)孔壁屈曲變形等。

2.2 局部變形分析

在同一水平直線(xiàn)上的胞孔孔壁上按照相近距離間隔選擇6～7個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)的位移跟蹤測(cè)量，測(cè)定在不同時(shí)刻x方向的距離變化。設(shè)初始時(shí)刻位置1～7的坐標(biāo)分別為，在ti時(shí)刻，他們的坐標(biāo)分別為，則不同時(shí)刻相鄰點(diǎn)之間的平均應(yīng)變?yōu)?/p>

圖5 試件表面測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Measuring points on the surfaces of specimens

圖6 顯示了不同試件在第一次沖擊后的變形分布情況，可以看出在第一次沖擊后試件兩端的應(yīng)變遠(yuǎn)高于試件中部的應(yīng)變。試件兩端是變形集中區(qū)域，應(yīng)變遠(yuǎn)高于整個(gè)試件平均應(yīng)變。表2給出了各試件整體平均應(yīng)變與兩端的平均應(yīng)變，可知試件左端局部平均應(yīng)變?yōu)檎w平均應(yīng)變的1.5～3.72倍。

從圖7的曲線(xiàn)可知，試件A1的2－3段、3－4段以及4－5段區(qū)域的應(yīng)變較小，隨時(shí)間變化很小；而1－2段以及6－7段應(yīng)變隨加載時(shí)間的增加而明顯增加，且這種增加是非線(xiàn)性的。由于這些應(yīng)變的不同發(fā)生在相同的時(shí)間段內(nèi)，因此，相應(yīng)的應(yīng)變率也將有明顯的不同。由圖7可以簡(jiǎn)單計(jì)算，1－2段和6－7段的應(yīng)變率分別為444和340s－1，都遠(yuǎn)大于試件的整體平均應(yīng)變率191s－1。

表2 試件兩端的局部平均應(yīng)變與整體平均應(yīng)變的對(duì)比Table 2 Comparison of the local average strain on both ends with the overall average strain of specimens

圖6 試件在第一沖擊后的變形情況Fig.6 Deformations of specimens after the first impact

圖7 試件A1中不同區(qū)域的平均應(yīng)變Fig.7 Average strain in different area of specimen A1

從以上的分析可以看出，在泡沫鋁的SHPB實(shí)驗(yàn)中，試件不是嚴(yán)格滿(mǎn)足均勻應(yīng)變和均勻應(yīng)變率假設(shè)，有必要對(duì)泡沫材料SHPB實(shí)驗(yàn)的有效性做更深入分析和必要的修正。

3 結(jié) 論

利用SHPB－高速攝像機(jī)系統(tǒng)，獲得了一系列泡沫鋁試件SHPB 沖擊實(shí)驗(yàn)中的變形圖片。實(shí)驗(yàn)表明，試件在第一次沖擊時(shí)破壞不明顯，大部分的破壞是由于多次沖擊引起的，因此不能簡(jiǎn)單地使用泡沫鋁試件的殘余變形等價(jià)SHPB測(cè)量的應(yīng)變。

泡沫鋁材料在SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)中，試件不嚴(yán)格滿(mǎn)足均勻應(yīng)變和均勻應(yīng)變率假設(shè)。在第一次沖擊過(guò)程中試件的變形主要集中在試件的兩端，試件上在破壞過(guò)程中會(huì)在薄弱區(qū)域形成破壞帶，當(dāng)破壞帶形成后，試件的破壞基本上集中在破壞帶上發(fā)生。泡沫鋁在不同時(shí)間下不同區(qū)域的應(yīng)變率表現(xiàn)出明顯不同，在相同的區(qū)域中試件的變形也是隨著時(shí)間呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)。因此，有必要對(duì)泡沫材料的SHPB 實(shí)驗(yàn)的有效性做更深入的研究和必要的修正。

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