基于泡沫鋁芯材性能實驗的夾層板抗侵徹數值研究

吳 捷，田阿利，任 鵬，姜文安，葉仁傳，王明輝

(1. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；

2. 武昌船舶重工有限責任公司，湖北 武漢 430060)

0 引 言

泡沫鋁夾層板因其擁有質輕、高比剛度、高比強度和優越的吸能效率，在船舶與海洋工程、航空航天、建筑等行業得到了廣泛的應用[1]。作為一種抗沖擊復合結構，其不可避免地遭受各種彈體和砰擊物的沖擊。只有掌握其抗侵徹性能，才能使其充分發揮自身的防護能力。

目前，國內外專家和學者針對泡沫鋁夾層板的侵徹性能問題，運用實驗、理論分析以及數值模擬等方法展開了一些研究。Barnes等[2–3]對開孔泡沫鋁材料在沖擊下的破壞行為進行研究。Hou等[4]在準靜態條件下對面板為金屬鋁，芯層為泡沫鋁的夾層板進行實驗研究，重點分析了侵徹速度、面板厚度、芯材密度和彈體頭部形狀對其抗侵徹性能的影響。Ghalami-Choobar等[5]通過理論和實驗研究了子彈侵徹泡沫夾層板的動態響應，得到面板的裂紋分布和破壞模式。Feng等[6]對復合材料夾層板在低速侵徹下動態響應進行仿真，詳細分析了閉孔泡沫鋁夾層板在沖擊下的層內損傷和層間損傷。D.D. Radford等[7]對泡沫鋁為芯體夾層結構在沖擊載荷下的數值模擬研究發現，泡沫芯體夾層板比相同質量的單層板具有更高的抗沖擊性能，夾層板對沖擊的阻力隨著芯體厚度的增加而增加。Zhang[8–9]對面板為碳纖維聚合物、芯層為泡沫鋁的錐形桁架結構夾層板在子彈沖擊下的動態響應和破壞模式進行實驗和理論分析。陳一鳴[10]研究了夾層板脫層對結構振動特性的影響。

綜上所述，關于泡沫鋁夾層板的侵徹實驗、方法及理論雖已取得很大進展，但通過準靜態試驗參數建立相應的數值模型并對其做進一步系統深入的研究仍非常有必要。本文首先對閉孔泡沫鋁材料在準靜態條件下進行壓縮實驗，得到泡沫鋁夾層板芯層的本構參數。基于泡沫鋁本構參數和面板材料的本構參數建立了以Q235鋼材料為面板，以泡沫鋁材料為芯層的夾層板抗侵徹有限元模型。重點分析了半球形彈體載荷下的沖擊過程、夾層板的塑性變形、能量吸收、剩余速度曲線以及彈道極限。展開泡沫鋁夾層板抗侵徹性能相關參數研究，為夾層板在艦船結構應用中的優化設計及其抗侵徹防護提供參考。

1 夾層板材料力學性能實驗

1.1 Q235鋼面板材料性能

面板為Q235鋼，其材料性能研究十分成熟，本構關系采用Johnson-Cook本構模型[11]，侵徹失效參數通過實驗研究獲得[12]，如表1所示。本文后續的研究，面板Q235鋼材料參數均采用此表中的參數。

1.2 泡沫鋁芯層材料性能

泡沫鋁材料有不同的胞體結構類型、結構大小和結構形狀，因此該材料沒有統一的材料特性參數。本文考慮船用結構的特性，選用 4 種不同密度泡沫鋁，開展了準靜態壓縮系列實驗，建立可靠的泡沫鋁壓縮本構模型。

表 1 Q235鋼的本構與損傷參數[12]Tab. 1 Material constitutive and damage parameters of Q235

1.2.1 試樣設計

閉孔泡沫鋁試樣如圖1所示，4 種密度分別為197 kg/m3，276 kg/m3，497 kg/m3和 541 kg/m3。由于泡沫鋁的孔徑較大，為了觀測泡孔的變形，并消除尺寸效應，試樣尺寸選為Φ30×30 mm，進行線切割加工后水洗烘干。

圖 1 泡沫鋁試樣Fig. 1 Test specimens of aluminum foam

1.2.2 準靜態壓縮實驗

實驗主要由CMT5105型微機控制電子萬能試驗機及Power-Test試驗軟件完成，采用位移加載控制的方式，壓載速率為0.5 mm/min。該加載速率條件下不同密度泡沫鋁的壓縮應力-應變曲線如圖2所示。從圖中可以看出，這種閉孔泡沫鋁材料的壓縮應力-應變曲線具有典型的三階段特征，即線彈性階段、屈服平臺階段和壓實階段。圖3為閉孔泡沫鋁的彈性模量與密度的關系。準靜態壓縮實驗測得的泡沫鋁芯材本構關系及其他力學性能參數，用于第 2 節有限元仿真計算中。

2 有限元仿真計算與結果分析

2.1 有限元模型

對鋼-泡沫鋁-鋼夾層板結構建立1/4有限元模型，其中，板長為210 mm，寬為210 mm，芯層厚度為20 mm，上下面板厚度為0.4 mm。彈體材料為Q235鋼，直徑為12.62 mm，彈體形狀為半球形彈體，質量為34.5 g。參考實驗中保證彈體實際飛行姿態的彈體結構[13]，在有限元仿真中，將彈體的尾部挖去一個直徑為6.2 mm，深度為10 mm的圓柱坑。為減少計算時間，子彈與泡沫夾層板的距離設定為0.1 mm。

圖 2 泡沫鋁壓縮應力-應變曲線（加載速率 0.5 mm/min）Fig. 2 Compression stress-strain curve of aluminum foam with different densities（loading rate: 0.5 mm/min）

芯層為閉孔泡沫鋁材料，材料模型為*MAT_CRUSHABLE_FOAM（63#），材料參數選用上述準靜態實驗測得結果：密度為276 kg/m3，彈性模量為160 MPa，泊松比為0.20，屈服強度為2.01 MPa。

由于63#本構沒有關于材料破壞準則和刪除單元的算法，因此需要對其施加一個材料刪除本構：*MAT_ADD_EROSION。選擇最大塑性主應變失效，當其塑性主應變大于0.4時，其單元將會被刪除[14]。

本文對泡沫鋁夾層板侵徹仿真的網格劃分采用分區劃分的原則，分為侵徹區和非侵徹區，其中定義彈體兩倍直徑長度的矩形區域為侵徹區，在此區域進行網格細劃，網格大小選為0.5 mm。非侵徹區域的網格大小選為2.0 mm。半球形彈體侵徹夾層板的有限元模型如圖4所示。

根據實驗工況，在外部邊界上的所有節點設定為約束所有自由度，在模型的對稱面上設定為對稱邊界條件。子彈和夾層板各部分的接觸采用面-面侵蝕接觸，面板與芯層之間的連接選用面-面固連失效接觸。

圖 4 半球形彈體侵徹夾層板有限元模型Fig. 4 Finite element model of sandwich plate impacted by hemispherical-nosed projectile

2.2 計算結果與分析

2.2.1 彈體侵徹過程

圖5給出了半球形彈體以120 m/s的速度沖擊夾層板時結構的變形和破壞過程。由圖可知，夾層板的侵徹破壞過程可主要分為 3 個階段：上面板的變形與破壞、泡沫芯層的變形與破壞、下面板的變形與破壞。

圖 5 半球形彈體侵徹泡沫鋁夾層板過程Fig. 5 Deformation of aluminum foam sandwich plates impacted by hemispherical-nosed projectile

半球形彈體侵徹夾層板時，夾層板結構的總體變形較小，主要先發生在侵徹接觸區域面板的變形，發生拉伸失效，產生花瓣撕裂破壞，而泡沫芯層因拉伸和剪切聯合作用發生壓潰破壞。

圖6為半球形彈體侵徹夾層板過程中的速度歷程曲線。速度變化主要經歷了 3 個階段：第 1 階段，彈體接觸上面板開始直至穿透上面板，彈體速度急劇下降；第 2 階段，在該階段彈體開始接觸泡沫鋁芯層直至完全穿透，在該階段時間的長短與泡沫鋁力學性能和芯層厚度密切相關；第 3 階段，彈體接觸下面板開始直至穿透下面板。從分析可以看出，在上述 3 個階段中，第 1 階段夾層板吸能最多，第 3 階段次之，第2 階段最少；同時彈體貫穿下面板所需要的時間相對于上面板的時間要長，這是因為侵徹芯層和下面板時其彈體的速度較前者小。

圖 6 半球形彈體速度隨時間歷程曲線Fig. 6 Hemispherical-nosed projectile velocity history curve

2.2.2 夾層板塑性變形分析

圖7給出了夾層板上、下面板和泡沫芯層的變形曲線對比。從圖中可以看出距彈體撞擊區域越近，夾層板各部分的變形程度也就越大。同時可以看出，在離彈體侵徹區域較遠時下面板變形最大，泡沫芯層次之，上面板的變形最小；在彈體侵徹區域附近時下面板變形最大，上面板次之，芯層的變形最小。這是由于夾層板上面板、泡沫芯層和下面板之間相互接觸，板間各部分存在的相互作用力不同的緣故。

圖 7 半球形彈體撞擊泡沫鋁夾層板變形曲線對比Fig. 7 Comparison of deformation profiles of aluminum foam sandwich plate under hemispherical-nosed projectiles

3 芯層參數影響分析

3.1 芯層厚度對其抗侵徹性能的影響

泡沫鋁芯層的材料特性和厚度對其抗侵徹性能具有明顯影響。因此，本節討論芯層厚度對結構抗侵徹性能的影響，選取 4 種不同厚度的芯層，分別為10 mm，20 mm，30 mm 和 40 mm，芯材密度為 276 kg/m3，同時選擇 2 種 0.6 mm 和 0.8 mm 厚度的面板進行仿真分析。

3.1.1 剩余速度分析

圖8給出了半球形彈體侵徹不同芯層厚度的泡沫鋁夾層板的沖擊速度與剩余速度曲線關系。從圖可知：芯層厚度對夾層板抗侵徹性能的影響與彈體沖擊速度有關，在彈道極限速度附近，芯層厚度對夾層板

圖 8 不同厚度芯層泡沫鋁夾層板初始速度與剩余速度關系Fig. 8 Residual velocity of aluminum foam sandwich plates versus initial velocity for various foam core thicknesses

抗侵徹性能影響較大，隨著彈體速度增加到一定程度后，芯層厚度對剩余速度影響逐漸減小。

3.1.2 彈道極限速度分析

圖9為夾層板在半球形彈體沖擊下，彈道極限與芯層厚度的關系，其中夾層板上、下面板厚度均為0.6 mm。從圖9可以看出，泡沫鋁芯層厚度越大，其相應的彈道極限速度也越高，且彈道極限速度與泡沫芯層厚度為準線性關系。

圖 9 彈道極限與夾層板芯層厚度的線性關系Fig. 9 Linear relationship of between foam core thickness and ballistic limit velocity

3.1.3 吸能性能分析

圖10給出了半球形彈體侵徹不同芯層厚度的泡沫鋁夾層板的沖擊速度與能量吸收曲線關系。從圖中可知：1）相同沖擊條件下，夾層板的吸能能力隨著芯層厚度的增大而增大；2）隨著彈體沖擊速度的提高，夾層板的吸能能力均呈現先減小后增大的趨勢；3）在彈道極限速度附近，面板厚度對夾層板抗侵徹性能的影響大于芯層厚度的影響，而隨著初始沖擊速度的增大，面板厚度的影響逐漸減弱。

3.2 芯材密度對其抗侵徹性能的影響

選取 4 種不同密度：197 kg/m3，276 kg/m3，497 kg/m3和541 kg/m3的泡沫鋁芯材，討論其對夾層板抗侵徹性能的影響，同時選擇 2 種 0.6 mm 和 0.8 mm 厚度的面板進行仿真分析。

圖 10 不同芯層厚度泡沫鋁夾層板初始速度與能量吸收關系Fig. 10 Energy absorption of aluminum foam sandwich plates versus initial velocity for various foam core thicknesses

3.2.1 剩余速度分析

圖11給出了半球形彈體侵徹不同芯材密度的泡沫鋁夾層板的沖擊速度與剩余速度曲線關系。從圖可知：芯材密度對夾層板抗侵徹性能的影響與彈體沖擊速度有關，在彈道極限速度附近，芯材密度對夾層板抗侵徹性能影響較大，隨著彈體速度增加到一定程度后，芯材密度對剩余速度影響逐漸減小。

圖 11 不同密度泡沫鋁芯層夾層板初始速度與剩余速度關系Fig. 11 Residual velocity of aluminum foam sandwich platesversus initial velocity for various foam core densities

3.2.2 彈道極限速度分析

圖12為夾層板在半球形彈體沖擊下，彈道極限速度與芯材密度的關系，其中夾層板上、下面板厚度均為0.6 mm。從圖11可以看出，泡沫芯材密度越大，其相應的彈道極限速度也越高，且彈道極限速度與芯材密度為準線性關系。

3.2.3 吸能性能分析

圖13給出了半球形彈體侵徹不同芯材密度的泡沫鋁夾層板的沖擊速度與能量吸收曲線關系。可知：1）相同沖擊條件下，夾層板的吸能能力隨著芯材密度的增大而增大；2）隨著彈體沖擊速度的提高，夾層板的吸能能力均呈現先減小后增大的趨勢；3）在彈道極限速度附近，面板厚度對夾層板抗侵徹性能的影響大于芯材密度的影響，而隨著初始沖擊速度的增大，面板厚度的影響逐漸減弱。

圖 12 彈道極限與夾層板芯材密度的線性關系Fig. 12 Linear relationship of between core density and ballistic limit velocity

圖 13 不同沖擊速度下不同芯材密度泡沫鋁夾層板的吸能情況Fig. 13 Energy absorption of aluminum foam sandwich plates versus initial velocity for various core density

4 結 語

本文通過實驗對泡沫鋁材料在準靜態條件下的壓縮性能進行研究，基于實驗結果參數，通過數值方法研究了面板為Q235鋼、芯層為泡沫鋁的夾層板在半球形彈體沖擊下的動態響應及抗侵徹性能。得出以下結論：

1）閉孔泡沫鋁壓縮應力-應變曲線具有泡沫材料典型的三階段特征，即線彈性階段、屈服平臺階段和壓實階段。泡沫鋁材料的彈性模量隨著密度的增大而增大。基于實驗結果得到的壓縮本構模型與參數能準確描述泡沫鋁材料的力學性能。

2）在半球形彈體的侵徹下，夾層板主要發生較大的結構變形，面板主要發生拉伸失效，產生花瓣撕裂破壞，泡沫芯層因拉伸和剪切聯合作用而發生破壞。

3）夾層板各部分的變形程度有所差異。距彈體撞擊區域越近，夾層板各部分的變形程度也就越大。在離彈體侵徹區域較遠時，下面板塑性變形最大，泡沫芯層次之，上面板最小；在彈體侵徹區域附近時，下面板塑性變形最大，上面板次之，芯層最小。

4）隨著彈體沖擊速度的提高，夾層板的吸能能力均呈現先減小后增大的趨勢。

5）在彈道極限速度附近，面板厚度對夾層板抗侵徹性能的影響大于芯層厚度或芯材密度的影響，而隨著初始沖擊速度的增大，面板厚度的影響逐漸減弱。

6）彈道極限速度隨著泡沫鋁夾層板芯層厚度或芯材密度的增大而增大，且彈道極限速度分別與芯層厚度或芯材密度近似線性。