泡沫鋁復合結構的減載行為和機械濾波作用

袁人樞，張振彪，隋世群

（1.南京理工大學 機械工程學院，南京210094；2.海信集團，山東 青島266000）

在使用過程中，車載武器系統中的光電儀器、儀表對作用在設備上的沖擊載荷和由沖擊引起的振動較為敏感，其本體對外部作用力和加速度都有嚴格的限制指標，如光學儀器最大過載為60g，過大的沖擊力或較強的振動都會造成儀器、儀表受損。

泡沫鋁材料阻尼特性良好，可以有效降低噪聲和振動［1－3］。本文設計制作以泡沫鋁為主體的3種不同復合結構，研究當其表面受到力錘沖擊時復合結構上、下表面加速度的變化；利用壓電薄膜測量結構中力的衰減并通過有限元法進行仿真模擬，從而得出適合應用在精密設備防護領域的抗沖擊防振復合結構。

1 試驗方法

1.1 復合結構的設計制作

實驗所用的復合結構是以泡沫鋁、環氧薄板、薄鋼板組合而成，具體尺寸見表1，表中，L，b，h分別為結構的長、寬、高。

各層之間用膠粘合，因為壓電薄膜（PVDF）微米級的厚度和良好的壓電性能［4－7］，將PVDF壓電計安裝在復合結構不同材料薄板的對應位置，測量沖擊載荷在結構中的傳遞特性。由于使用的PVDF壓電計封裝完成后厚度小于0.3mm，應力波在其中瞬間完成傳遞，可以忽略壓電計本身對載荷傳播的干擾。3種安裝了PVDF壓電計的復合結構如圖1所示。

表1 復合結構材料尺寸

圖1 復合結構示意圖

1.2 沖擊加載實驗

簡單支承復合結構四邊如圖2（a）所示。用BK8206－02力錘錘擊加載，沖擊載荷特性曲線如圖2（b）、2（c）所示，為測定復合結構表面加速度的變化，在結構的上、下表面同一法線的對應位置分別安裝加速度計，壓電薄膜計記錄多孔薄板結構中的載荷傳遞變化，從沖擊載荷頻域曲線圖2（c）可見，高于10kHz的信號能量較小。

圖2 實驗原理和沖擊載荷示意圖

1.3 實驗測試系統的搭建

組建了由工作頻率大于100kHz的薄膜壓電傳感器、工作頻率12.6kHz的B＆K 4 371V壓電加速度計、Kistler 5011B調理、PXI總線儀器6015板卡組成的動態測控系統，如圖3所示。

圖3 動態測控系統簡圖

2 實驗結果與分析

2.1 復合結構對沖擊載荷的衰減

對3種不同結構的錘擊加載情況進行實驗研究，通過不同材料層間傳感器敏感元件輸出值的對比來得出該結構對沖擊力的衰減比，計算式為

式中：Ui是結構i層間PVDF壓電計的輸出值，δ是i＋1層與i層之間的PVDF壓電計的輸出值之比。

2.1.1 結構Ⅰ沖擊力峰值變化

如圖1所示，結構Ⅰ由上、下2層厚度為1.9mm的薄鋼板及中間一層厚度為15.5mm的多孔泡沫鋁板組成，將薄膜壓電傳感器分別安裝在不同材料界面之間，通過對結構Ⅰ上表面進行3次錘擊加載，得出的載荷變化結果如表2所示，由此可以得出壓力信號經過一層厚度為15.5mm的多孔泡沫鋁衰減后峰值載荷衰減：

表2 結構ⅠPVDF測試結果

2.1.2 結構Ⅱ層間沖擊力變化

結構Ⅱ由上、下2層厚度為1.9mm的薄鋼板及中間2層厚度分別為9.9mm和15.5mm的多孔泡沫鋁板組成，共布置黏貼3個薄膜壓電傳感器，分別在不同材料的層間，見圖1。對結構Ⅱ上表面進行3次錘擊加載，得出的結果如表3所示。由表3可以得到經過2層厚度不同的多孔泡沫鋁板后載荷峰值的抑制幅度分別為

表3 結構ⅡPVDF測試結果

2.1.3 結構Ⅲ沖擊力峰值變化

結構Ⅲ由上、下2層厚度均為1.9mm的薄鋼板，2層1.9mm的環氧板以及1層厚度為15.5mm的泡沫鋁板組成，見圖1。共布置黏貼3個薄膜壓電傳感器，分別在不同材料的層間。對結構Ⅲ進行3次錘擊加載，得出的結果如表4所示。根據表4，載荷傳遞經過環氧薄板與泡沫鋁板組合后壓力峰值的抑制幅度為

表4 結構ⅢPVDF測試結果

從表2～表4的數據可見，2塊厚度不同的泡沫鋁疊加組成的復合結構對沖擊載荷的衰減顯著，即結構Ⅱ對載荷衰減最為明顯。通過各組抑制幅度值看出，PVDF計測量復合結構不同材料板材層間力的傳遞時測試信號重復性好，結果穩定。

2.2 復合結構對加速度的衰減和機械濾波作用

將2個壓電加速度計aup和ad布置在結構上、下表面，位置處于同一法線上，比較復合結構受到錘擊時上、下表面加速度信號變化。分別對3種結構錘擊加載，圖4～圖6分別為多孔復合結構Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的上、下表面的沖擊加速度信號特性曲線。圖中，a為加速度，A為傅立葉系數。從表5中可以看出3種多孔復合結構中結構Ⅲ對加速度信號抑制最大，表中從頻域特性曲線得出，多孔復合結構Ⅰ對沖擊信號各頻率成分抑制并不明顯；多孔復合結構Ⅱ的通頻帶為0～2kHz和4～8.5kHz兩處，8.5kHz后的信號抑制顯著；多孔復合結構Ⅲ通頻帶為0～2kHz和4～7kHz兩處，7kHz后的信號抑制顯著。因此，綜合以上多孔復合結構對沖擊載荷抑制能力，結構Ⅲ最佳；不同多孔復合結構對信號不同頻段的抑制，實際起到機械濾波器的作用。

圖4 多孔復合結構Ⅰ加速度信號

圖5 多孔復合結構Ⅱ加速度信號

表5 復合結構對加速度信號的衰減

圖6 多孔復合結構Ⅲ加速度信號

3 數值模擬分析

3.1 LS－DYNA程序

作為通用的有限元動力分析程序，LS－DYNA能求解多種結構的碰撞、金屬成型等非線性動力問題，材料本構模型豐富，可以定義本實驗所用的多孔泡沫鋁［8］。

3.2 復合結構Ⅰ有限元模型

有限元仿真的模型尺寸與試樣相同，由于復合結構的對稱性，采用四分之一結構建模計算，如圖7所示。鋼板與泡沫鋁之間采用粘連（Glue）操作，邊界條件采用四端簡支，上層薄鋼板外表面中心4mm×4mm處施加三角波載荷，作用時間為1ms，總的計算時間為2ms［9］。

圖7 有限元模型與單元劃分

3.3 結構Ⅰ材料參數

鋼板材料參數：ρ＝7 850kg／m3，E＝210GPa，泊松比ν＝0.3；泡沫鋁采用Crushable Foam本構模型［9］。如圖8所示，圖中，ε為應變，σ為應力。泡沫鋁的材料參數：ρ＝431kg／m3，E＝0.177GPa，ν＝0.3。

圖8 泡沫鋁的本構關系

3.4 計算結果

復合結構Ⅰ載荷在經過泡沫鋁板后有明顯抑制，其應力峰值降低到原來的50.69%。其他2種復合結構的計算方法與復合結構Ⅰ類似，這里不再枚舉［9］。3種復合結構的仿真計算結果與薄膜壓電計實驗測試結果對比如表6所示。從表中可以看出，實驗值與仿真計算值應力峰值抑制比值基本一致，因此使用薄膜壓電計測量多孔復合結構層間的載荷抑制并與計算結果互相印證，可以準確地記錄多孔復合不同材料板材層與層間載荷傳遞的情況。

表6 不同結構數值模擬與試驗結果衰減比

4 結論

①試驗結果與有限元結果對比表明，采用薄膜壓電計測量多孔復合結構不同材料層間的載荷衰減比與模擬計算相互印證，能較準確地得出沖擊載荷在多孔復合結構中的傳遞情況，實驗結果是可信的。

②多孔復合結構中不同材料層間載荷的變化和表面加速度的變化兩方面說明復合結構受沖擊載荷作用時多孔復合結構Ⅱ對沖擊載荷的衰減性能較佳，多孔復合結構Ⅲ對加速度衰減較佳，綜合不同結構的優點，能夠設計一種多孔復合結構，為精密設備提供降噪防振保護。

③不同的復合結構有不同的截止頻率，實際上，不同帶寬的機械濾波器可以用于有高頻沖擊場合的測試初級選頻及降噪防振。

［1］王永剛，胡時勝，王禮立.爆炸荷載下泡沫鋁材料中沖擊波衰減特性的實驗和數值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2003，23（6）：516－521.WANG Yong－gang，HU Shi－sheng，WANG Li－li.Shock attenuation in aluminum foams under explosion loading［J］.Explosion and Shock Waves，2003，23（6）：516－521.（in Chinese）

［2］康建功，石少卿.泡沫鋁衰減沖擊波峰值壓力的理論及數值分析［J］.振動與沖擊，2010，29（5）：199－202.KANG Jian－gong，SHI Shao－qing.Theoretical and numerical analysis for a cladding aluminum foam sandwich panel attenuating blasting wave pressure［J］.Journal of Vibration and Shock，2010，29（5）：199－202.（in Chinese）

［3］諶河水，趙恒義，張明華.泡沫鋁芯體夾層板的沖擊力學性能研究［J］.寧波大學學報，2007，20（1）：118－121.CHEN He－shui，ZHAO Heng－yi，ZHANG Ming－hua.Research on the impact mechanic property of sandwich beams with aluminum foam core［J］.Journal of Ningbo University，2007，20（1）：118－121.（in Chinese）

［4］張安躍，唐志平，鄭航.PVDF壓力傳感器的沖擊壓電特性研究［J］.實驗力學，2009，24（3）：244－250.ZHANG An－yue，TANG Zhi－ping，ZHENG Hang.A study of impact piezoelectric property of PVDF stress gauges［J］.Journal of Experimental Mechanics，2009，24（3）：244－250.（in Chinese）

［5］BAUER F.PVDF shock compression sensors in shock wave physis［J］.Shock Compression of Condensed Matter，2003，CP706：1 121－1 124.

［6］SHIRINOV A V.Pressure sensor from a PVDF film［J］.Sensors and Actuators，2008，A142：48－55.

［7］孟一，易偉健.PVDF應力傳感器的設計、標定及其在混凝土沖擊試驗中的應用［J］.湖南大學學報，2009，36（12）：1－5.MENG Yi，YI Wei－jian.Design and calibration of PVDF stress gauge and its application in the impact test of concrete［J］.Journal of Hunan University，2009，36（12）：1－5.（in Chinese）

［8］尚曉江，蘇建宇，王化鋒.ANSYS／LS－DYNA動力分析方法與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.SHANG Xiaoi－jiang，SU Jian－yu，WANG Hua－feng.Dynamic analysis and engineering project of ANSYS／LS－DYNA［M］.Beijing：China Water ＆ Power Press，2005.（in Chinese）

［9］隋世群.PVDF壓電薄膜的工程應用研究［D］.南京：南京理工大學，2011.SUI Shi－qun.Applied engineering research of PVDF thin film［D］.Nanjing：Nanjing University of Science ＆ Technology，2011.（in Chinese）