泡沫鋁復合結構的應力波防護性能研究

楊冬麗,王琳,楊杰,趙登輝

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

泡沫鋁復合結構的應力波防護性能研究

楊冬麗1,王琳1,楊杰2,趙登輝1

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

為研究泡沫鋁復合結構對應力波的防護能力,利用傳統和改進的分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置對不同相對密度及不同厚度組合的泡沫鋁-鋁板復合結構進行沖擊試驗。研究結果表明:泡沫鋁作為夾層,可使入射波分多次傳到背板,延遲應力波到達時間,降低了應力波強度。隨著泡沫鋁夾層厚度的增加,應力波衰減效果明顯。泡沫鋁-鋁板復合結構作為面板,應力波的加載方式發生變化,上升沿得到改善,脈沖寬度增大,最大應力幅值降低,同時吸收大量沖擊能,是一種良好的應力波防護材料。增大復合結構中泡沫鋁厚度,應力波的上升沿時間延長、斜率減小,應力幅值降低,但脈沖寬度變化不大;鋁板厚度對應力波傳播影響較小。隨著泡沫鋁相對密度的增加,經泡沫鋁-鋁板復合結構作用后,應力波的上升斜率減小,最大應力幅值降低,但脈沖寬度和上升沿時間不變。

金屬材料;泡沫鋁復合結構;應力波衰減;相對密度

0 引言

目前,無論在國民經濟還是軍事領域中,應力波對材料的破壞日益嚴重。彈丸等侵徹物尚未到達的區域,應力波對材料產生提前破壞,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力波的材料受到高度重視。泡沫鋁夾層復合結構結合了泡沫金屬與普通金屬材料的優點,具有輕質、吸收沖擊能及衰減應力波的特點,在吸能緩沖、應力波防護領域有較好的應用前景[1]。國內外學者對應力波在泡沫金屬多層復合結構中的傳播規律進行了大量研究[2-6]。董永香等[2]采用氣炮實驗裝置,分析了應力波在泡沫夾層復合結構中的傳播規律,發現泡沫材料改變了應力波的幅值與作用時間,同時也改變了各層介質中能量與動能的分配。文獻[3-4]通過理論計算和LS-DYNA模擬,發現應力波在鋼板-泡沫鋁-鋼板中傳播時,應力波的升壓時間增加,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力波的傳播特性,結果表明應力波在泡沫鋁中隨著傳播距離的增加呈指數衰減的形式,而且泡沫鋁作夾心材料時,可以有效地衰減次生應力波的峰值和沖量。

對應力波在泡沫鋁夾層復合結構中的傳播規律,目前已有一定認識。但對泡沫鋁夾心材料的結構參數如相對密度、厚度大小對應力波傳播的影響了解不多。另外,目前研究泡沫金屬中應力波傳播規律的實驗手段不多,主要集中在PVDF傳感器測量上,但該種方法設計較復雜。結合以上問題,本文采用相對簡單的霍普金森壓桿(SHPB)裝置,并將傳統的SHPB裝置進行改進,選擇不同結構參數的泡沫鋁復合結構進行沖擊試驗。深入研究泡沫鋁復合結構對應力波的防護能力,以及結構參數對應力波傳播的影響規律,為其實際應用奠定一定的理論和實驗基礎。

1 實驗材料和方法

本文選擇孔徑尺寸為φ2 mm,相對密度ρ*/ρs(ρ*為泡沫鋁密度,ρs為金屬鋁密度)在0.145～0.253范圍內的閉孔泡沫鋁為研究對象。泡沫鋁復合結構是由泡沫鋁和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劑粘結。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。

采用傳統的SHPB裝置檢測泡沫鋁作夾層時應力波的傳播特性,實驗裝置如圖1所示。其中,子彈及壓桿采用馬氏體時效鋼制備,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。子彈以一定速度對面板進行沖擊,在桿中產生一定的應力波,通過對比面板和背板上分別采集的應力-時間曲線來評價泡沫鋁作夾層時的削波作用。作為對比實驗研究,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應力波傳播的影響。

圖1 傳統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合結構作為面板對應力波的防護作用,實驗裝置如圖2所示。其中,子彈及壓桿材料均為馬氏體時效鋼,直徑為φ14.5 mm,入射桿模擬實際應用領域中被保護的物體。子彈以一定速度對復合結構進行沖擊,應力波經過復合結構防護材料的衰減作用后傳入輸入桿,通過測量輸入桿上的應力-時間曲線,研究泡沫鋁復合結構對應力波的衰減作用。

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

2 實驗結果與分析

2.1 泡沫鋁作夾層對應力波的衰減作用

圖3(a)是φ14.5 mm×8 mm的泡沫鋁作夾層時對應力波傳播的影響,圖3(b)為對比實驗,即相同尺寸的鋁板作夾層對應力波的影響。

圖3 泡沫鋁、鋁板分別為夾層材料時對應力波傳播的影響Fig.3 Effects of the foam Al and Al alloy as interlayermaterials on stress wave propagation

觀察圖3(a)發現,入射波第1次到達面板與泡沫鋁界面時透射波非常微弱,幾乎全部形成反射波,反射波在輸入桿中傳播到達前端變為二次入射波重新加載。應力波重復以上過程4次后,才觀察到背板中的透射波,透射波強度在第5次加載時達到最大值193 MPa.觀察圖3(b)可知,等厚度鋁板作夾層時,透射波在第1次加載時強度已達276 MPa,經過2次加載后,應力波完全傳入背板。對比可知,泡沫鋁作夾層時可使入射波分多次傳入背板,不但延緩了應力波到達背板的時間,而且減小了每次到達背板的應力波強度,大大縮短了高強度應力波的持續時間,降低了背板因受強沖擊作用提前破壞的可能性。這與其他研究者利用PVDF傳感器測量及LS-DYNA模擬得到的實驗結果一致,應力波經過泡沫金屬材料后,波幅消減、作用時間增長[2-4]。鋁板作夾層雖然也降低了背板應力波強度,即入射波強度由520 MPa降低為276 MPa,但對應力波傳播時間幾乎沒有影響。

分析泡沫鋁作夾層可有效阻隔應力波傳播的原因,應力波在多層介質中傳播時,由于各層材料的波阻抗不同,在界面處會產生反射和透射。設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度σR1和透射波強度σT1[7]分別為

式中:σI為入射波強度。應力波在夾層與背板界面產生的透射波強度σT2為

本實驗中,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,應力波經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,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。在入射波第5次加載時泡沫鋁完全被壓實,透射波強度達到最大。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力波的傳播。

選擇不同厚度的泡沫鋁進行實驗,分析厚度大小對應力波衰減的影響,如圖4所示。由圖可知,夾層厚度為5 mm時,最強透射波在730 μs達到背板,強度為273 MPa.厚度增加到10 mm后,背板在應力波重復4次加載后才有微弱透射波,1 500 μs時透射波達到最大值170 MPa.泡沫鋁厚度為15 mm時,傳遞到背板的最大透射波強度為147 MPa,時間延緩至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間明顯增加且強度大大降低。分析認為,隨著夾層厚度的增加,泡沫鋁壓實需要的沖擊力越大,消耗的應力波能量越多,這使得最終傳遞到背板上的應力波強度減小。另一方面,當泡沫鋁厚度從5 mm增加到15 mm時,壓實所需的時間也在增加,波阻抗增大過程變緩,導致應力波在界面處的反射、透射次數增加,因此一定強度的應力波最終到達背板的時間越長,強度也隨之減小。

2.2 泡沫鋁及其復合結構作為面板時對應力波傳播的影響

將尺寸均為φ14.5 mm×10 mm的泡沫鋁、5210鋁板以及泡沫鋁-鋁板復合結構分別作為3種面板置于輸入桿前端,作為面板,采用子彈沖擊,研究泡沫鋁及其復合結構的應力波防護能力。子彈產生的應力波經不同面板材料作用后傳遞到輸入桿的應力-時間曲線如圖5所示。

圖4 泡沫鋁夾層厚度對應力波傳播的影響Fig.4 Effect of the thickness of foam Al on stress wave propagation

圖5 面板材料對應力-時間曲線的影響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,應力波的應力幅值及脈沖寬度均得到一定程度的改變,具體數值如表1所示。泡沫鋁單獨作面板時,應力波的加載形式由原來的矩形轉變為三角形,上升沿時間增加到140 μs,占整體加載時間的2/3,最大應力幅值由原來的598 MPa減小到398 MPa.等厚度的鋁板作面板時,應力波的脈沖寬度加寬,最大應力幅值減小到268 MPa.對比泡沫鋁與鋁板對應力波傳播的影響,發現泡沫鋁可以大幅度地延長應力波上升沿時間,但傳遞到被保護物體的應力值仍然較高。這是因為泡沫鋁在沖擊載荷加載下發生大的塑形變形,壓實應變可以達到0.6,該過程中吸收大量能量,因此傳遞到輸入桿的應力波上升緩慢。但由于應力波強度較大,泡沫鋁迅速壓實,壓實過程中泡沫鋁吸收的能量低于加載應力波的能量,所以經泡沫鋁作用后傳遞到輸入桿的應力值較高,并略大于鋁板傳遞的應力。

表1 不同面板材料所對應的應力波幅值、脈沖寬度及能量衰減系數Tab.1 Stress wave intensity,pulse width and energyattenuation coefficients

泡沫鋁與鋁板的復合結構綜合了2種材料的優點。加載初期應力波以較慢的上升速率達到一相對較小的應力幅值,保持一段時間后卸載。與同厚度泡沫鋁相比,經復合結構作用后最大應力幅值大大減小;與同厚度鋁板相比,應力波的上升沿得到明顯改善。對比鋁板+泡沫鋁與鋁板+泡沫鋁+鋁板2種復合結構對應力波傳播的影響,發現這2種復合結構對應力波傳播的影響區別不大。

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

式中:EI為加載應力波的能量;ET為應力波通過被測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是應力波傳播的位移,大小等于傳播速度與時間的乘積; ε(x)是應變。

分別計算出泡沫鋁、鋁板、泡沫鋁-鋁板復合結構的應力波衰減系數μc,結果如表1所示。4種面板均起到良好降低應力波能量的作用,其中以鋁板-泡沫鋁-鋁板復合結構的效果最佳。綜合評價4種防護材料,以泡沫鋁為代表的泡沫金屬與其他金屬的復合結構不但改善應力波的加載方式,縮短高強度沖擊載荷的作用時間,吸收大量應力波能量,還大大減輕了裝置質量。在目前各種結構迫切需求減輕質量的大背景下,泡沫金屬復合結構是一種防護性能較好的材料。

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

圖6 鋁板+泡沫鋁復合結構中泡沫鋁厚度對應力波傳播的影響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+泡沫鋁復合結構中,鋁板厚度對應力波防護能力的影響。由圖7可知,鋁板從1 mm增加到3 mm后,應力波的應力-時間曲線重合較好,最大應力幅值、脈沖寬度及上升沿都沒有明顯變化。分析原因,當泡沫鋁厚度一定時,經不同復合結構作用后,傳遞到輸入桿的應力波最大應力幅值主要受鋁板強度的影響,而鋁板強度與試樣厚度幾乎沒有關系;上升沿情況是由泡沫鋁的厚度決定,泡沫鋁厚度一定時,上升沿變化不大。綜合以上結果可知,鋁板+泡沫鋁復合結構中,鋁板厚度大小對應力波傳播影響較小。

圖7 鋁板+泡沫鋁復合結構中鋁板厚度對應力波傳播的影響Fig.7 Effect of the thickness of Al in foam aluminum-Alcomposite structure on stress wave propagation

將3種不同相對密度泡沫鋁的鋁板+泡沫鋁復合結構置于輸入桿前端,研究泡沫鋁相對密度對材料應力波防護能力的影響,結果如圖8所示。由圖8可知,泡沫鋁相對密度從0.166增加到0.220后,傳遞到輸入桿上的應力波幅值降低,上升沿斜率變緩,高強度應力波作用時間減小。這是因為隨著相對密度的增加,泡沫鋁承載的屈服強度、平臺應力升高,壓實過程中吸收應力波能量也隨之增大,如圖9所示。田杰[5]通過數值模擬不同相對密度的泡沫鋁中應力波的衰減規律,同樣得到高密度泡沫鋁的沖擊衰減系數比低密度泡沫鋁的大。因此,輸入桿上的應力幅值降低,應力波的上升沿上升緩慢。此外,泡沫鋁相對密度對應力波的脈沖寬度和上升沿時間影響較小。

圖8 相對密度對泡沫鋁復合結構應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 相對密度對泡沫鋁復合結構吸能量的影響Fig.9 Effect of the relative density of foam aluminum on energy absorption

3 結論

采用傳統和改進的SHPB裝置對泡沫鋁及其復合結構的應力波防護性能進行研究,結果表明:

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

2)鋁板+泡沫鋁復合結構作為面板時,綜合了泡沫鋁與鋁板二者的優點,應力波上升緩慢,最大應力幅值減小,同時吸收大量能量,對后面結構起到充分的保護作用。

3)鋁板+泡沫鋁復合結構作為面板時,增加泡沫鋁厚度,應力波的上升沿時間延長、斜率減小,應力幅值減小,但脈沖寬度變化不大;增加鋁板厚度,對應力波傳播影響較小。

4)增加鋁板+泡沫鋁復合結構中泡沫鋁的相對密度,應力波的上升沿斜率減小,應力幅值降低,吸收應力波能量增加,但應力波的上升沿時間和加載寬度變化較小。

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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