金屬薄板材料沖擊性能研究進展

劉牧東

摘要：金屬薄板材料已廣泛應用于航空、航天、汽車和船舶等工程結構的生產和制造，對于金屬薄板材料沖擊性能的研究也受到了國內外學者和工程界的高度關注。本文綜述了近年來金屬薄板材料沖擊性能的試驗研究，分析了金屬薄板材料沖擊性能的表征方法，歸納了金屬薄板材料沖擊性能的有限元仿真技術，明確了研究中尚未解決的問題，需要進一步探索。

關健詞：金屬，薄板，沖擊，試驗，表征方法，有限元仿真

中圖分類號：V215.9 文獻標識碼：A

彈性力學中將板厚與面內最小特征尺寸的比值在1/8～1/5范圍內的板材定義為薄板，目前工程上金屬薄板材料的厚度通常為0.2～4mm[1，2]，已廣泛應用于航空、航天、汽車和船舶等行業。金屬薄板材料在工程應用中存在大量的沖擊行為，如航空器受到飛鳥的沖擊、航天器受到碎片的沖擊以及船只受到冰山的沖擊等，沖擊行為發展迅速，破壞過程短暫，難以進行準確預測，對結構的安全性造成威脅。然而，目前人們仍不能完全掌握金屬薄板材料沖擊行為的物理本質和變化規律，許多學者在這方面進行了分析和研究，為金屬薄板材料沖擊的試驗開展、性能表征和有限元仿真奠定了基礎，具有重要的理論意義和應用價值。

1 金屬薄板材料沖擊性能試驗研究

針對金屬薄板材料的沖擊行為進行了大量試驗研究，通過試驗了解沖擊頭、試樣、表面處理方法，以及環境溫度等因素對金屬薄板材料沖擊性能的影響。

（1）沖擊頭質量、形狀和尺寸

R.S.J.Corran等[3]采用不同質量的沖擊頭對金屬薄板進行沖擊試驗，研究沖擊頭質量與沖擊極限速度間的關系，發現沖擊極限速度隨著沖擊頭質量的增加而減小，并且減小的幅度先快后慢。

T.Borvik等[4]試驗研究了三種不同形狀（半球、圓柱和圓錐）沖擊頭對Weldox 460E鋼材薄板沖擊結果的影響，發現半球和圓錐形沖擊頭的沖擊極限速度相近，但明顯大于圓柱形沖擊頭的沖擊極限速度;圓錐形沖擊頭產生的變形最大，其次是半球形沖擊頭，最后是圓柱形沖擊頭。

穆建春[5]試驗研究了不同圓錐半角尺寸的沖擊頭對金屬材料圓形薄板沖擊失效模式的影響，試驗結果表明，當沖擊頭的圓錐半角尺寸較小時，沖擊頭直接穿透金屬薄板而形成孔洞，發生刺透型失效;隨著沖擊頭圓錐半角尺寸的增大，沖擊區域主要會發生剪切變形，沖擊頭也不再穿透金屬薄板材料，其失效模式轉變為剪切型失效。

（2）試樣尺寸和夾持方式

N.Jones等[6]以不同長寬比（1～2.5）的低碳鋼矩形薄板為研究對象，試驗探究長寬比對沖擊性能的影響，試驗結果表明，當試驗的沖擊速度為5～13m/s、沖擊質量為25～200kg時，矩形試樣不同的長寬比對沖擊穿透能的影響很小。

D.Bonorchis和G.N.Nurick[7]試驗研究了低碳鋼薄板邊界處的夾持高度對沖擊脈沖和沖擊凹坑深度的影響，選取的夾持高度分別為0mm、16mm和32mm，沖擊頭直徑40mm，試驗結果表明，隨著薄板邊界處夾持高度的提高，沖擊脈沖加強，但沖擊凹坑深度變化很小，說明邊界處的加持高度會影響沖擊脈沖，但對凹坑深度的影響作用不明顯。

王守財等[8]對鋁合金薄板進行低速沖擊試驗以研究飛機金屬蒙皮的沖擊性能，采用落錘式試驗機開展沖擊試驗（如圖1所示），鋁合金薄板試件通過螺釘夾持在試驗臺上以模擬蒙皮與桁條的連接方式，通過調整落錘的高度獲得不同沖擊能量對應的沖擊性能。

（3）表面處理方法

D.C.Lou等[9]對NVE36鋼材薄板進行滲碳和滲氮處理，試驗研究滲碳和滲氮表面處理對材料沖擊性能的影響，試驗結果表明，滲氮處理后試樣的沖擊極限速度下降6%，而滲碳處理后的沖擊極限速度增加了27%～29.4%，這說明滲碳處理使低強度鋼材薄板的抵抗沖擊能力明顯增強，而滲氮處理使材料的抵抗沖擊能力減弱。

E.Ozsahin和S.Tolun[10]采用Co-Mo-Cr和ZrO₂兩種涂層對6061-T651鋁合金薄板進行噴鍍，試驗研究等離子表面噴鍍方法對材料沖擊極限速度和凹坑深度等性能的影響（如圖2所示），試驗結果顯示，兩種等離子表面噴鍍方法均能提高鋁合金薄板的沖擊極限速度，并減小了沖擊的凹坑深度，使得鋁合金薄板材料的抵抗沖擊能力顯著增強。

J.K.Holmen等[11]試驗研究了4種回火方式（退火、自然冷卻、極限強度冷卻和過度冷卻）對6070鋁合金薄板材料沖擊性能的影響，試驗結果表明，經過退火后試樣的沖擊極限速度最小、產生的沖擊碎片最少，經過極限強度冷卻后試樣的沖擊極限速度最大、產生的沖擊碎片最多，而經過自然冷卻和過度冷卻過程后試樣的沖擊性能介于前兩者之間，這說明通過控制回火過程的方式，能夠提高鋁合金材料的屈服強度，進而增強抵抗沖擊的能力。

（4）環境溫度

J.A.Rodriguez-Martinez4[12，13]分別在288K常溫和213K低溫下對TRIP 1000鋼材薄板和2024-T3鋁合金薄板進行沖擊試驗，試樣尺寸為80mm方板，沖擊頭為圓錐形，沖擊速度不超過4.5m/s，試驗結果表明，當環境溫度由288K常溫降至213K低溫時，兩種金屬薄板材料的沖擊能吸收能力提高，薄板的塑形彎曲變形增強，說明低溫習境對金屬薄板材料的沖擊性能產生有益影響。

李衛軍等[14]分別在4種環境溫度（20℃、0℃、-20℃和-40℃）下對40CrNiMoA鋼材薄板進行沖擊試驗，試驗結果表明，在20℃，0℃和-20℃溫度下，鋼材薄板發生韌性沖擊失效;當環境溫度由-20℃降至-40℃時，材料的沖擊失效模式逐漸由韌性向脆性轉變，40CrNiMoA鋼的韌脆轉變溫度約為-20℃。

可見，沖擊頭的質量、形狀和尺寸，試樣的尺寸和夾持方式，表面處理方法以及環境溫度等均會影響金屬薄板材料的沖擊性能，其影響因素多、作用復雜。但目前對于金屬薄板材料沖擊作用機理的研究較少，可以進一步在試驗的基礎上，采用掃描（SEM）和透射電鏡（TEM）技術分析斷口微觀結構，探尋沖擊引起的晶體變形、位錯滑移、凹坑演變和斷裂失效等機理的變化。2金屬薄板材料沖擊性能表征方法研究

金屬薄板材料的沖擊性能通常借助能量和動力學兩種方法進行表征。

（1）能量法

N.Perrone和P.Bhadra[15]采用指數型應變率強化模型表征低碳鋼和欽合金材料的本構關系，并采用經驗拋物線模型表征位移場和速度場，計算了低碳鋼和欽合金薄板材料的沖擊塑性功，能夠獲得在沖擊載荷下材料塑性變形的理論解析表達式。

R.Zaera等[16]針對圓形金屬薄板沖擊載荷問題，考慮其外力功率等于動能變化率與塑性功率之和，建立了金屬薄板的中心位移解析式，分析結果表明，薄板所受的徑向彎曲內力、周向彎曲內力以及轉動慣量均對計算結果產生影響，其中，徑向彎曲內力的影響最大，周向彎曲內力的影響小于徑向彎曲內力，而轉動慣性的影響幾乎可以忽略。

L.B.Chen R J.L.Yang["1采用線性和指數應變率強化模型表征圓形金屬薄板中心沖擊的本構關系，根據沖擊塑形能等于沖擊動能的能量守恒原理，構建了金屬薄板中心沖擊最大橫向位移的解析模型。

D.Mohotti等[is]針對鋁合金薄板材料的低速沖擊問題（沖擊速度為3-15m/s）進行研究，圖3顯示出了沖擊變形的產生原理，采用Johnson-Cook應變強化模型表征鋁合金材料的本構關系，并根據薄板沖擊塑形功等于沖擊頭動能損失的守恒原理，建立了鋁合金薄板材料沖擊的撓度解析模型，模型的有效性在試驗中得到了驗證。

王守財等181在試驗的基礎上，采用Johnson-Cook模型表征本構關系，并根據能量守恒原理建立了凹坑深度與沖擊能之間的關系，發現低速沖擊載荷下的薄板凹坑損傷與沖擊能量之間近似呈線性關系，模型的訓算結果與試驗吻合良好。

（2）動力學法

M.J.Forrestal等[l9]建立了鋁合金薄板材料高速沖擊（沖擊速度為0.3-lkm/s）的接觸動力學模型，并求解微分方程，獲得其沖擊速度與沖擊凹坑深度之間的關系，模型的計算結果與試驗數據吻合良好。

Q.S.Wei[207針對低碳鋼薄板錐形物沖擊問題，考慮了彎矩和薄板內力的影響，借助動力學方法構建薄板內部和邊緣處的塑性變形微分方程，獲得了凹坑變形與沖擊能量之間的關系，但模型中存在隱式計算，求解過程復雜，對其廣泛應用造成不便。

N.Jones[2'7針對金屬材料矩形薄板沖擊問題，采用動力學平衡方程建立塑性變形與沖擊能量之間的關系，獲得了關于薄板邊界條件的函數表達式，分析結果說明，在沖擊頭質量與薄板面積之比很大的條件下，邊界條件對于金屬薄板材料塑性變形的影響可以忽略，模型的有效性還需要在簡支邊界條件下進一步驗證。

N.Jones 1211采用線性速度場表征金屬薄板材料的塑性鉸鏈，根據動力學平衡方程建立了在質量沖擊、脈沖壓力和爆炸載荷條件下金屬薄板材料的橫向位移解析模型，獲得了圓形和矩形薄板的函數表達式，并與試驗結果進行對比，發現沖擊載荷、金屬材料的動特性參數和薄板約束方式均會對其沖擊性能產生影響，需要獲得更加豐富的試驗數據，進一步完善和發展金屬薄板材料沖擊性能的理論模型。

從上述文獻中可以看到，目前主要考慮了內力、本構關系、速度場和位移場等因素的影響，建立金屬薄板材料沖擊性能表征模型，其中，內力方面主要考慮了面內彎矩、薄膜內力、切應力和轉動慣量等因素;本構關系方面常根據不同的材料選取對應的塑性強化模型，鋁合金材料選取應變強化模型，而低碳鋼和欽合金材料則選取應變率強化模型;而速度場和位移場則是根據試驗數據選取對應的拋物線型、指數型或三角函數型經驗模型進行表征。這些因素確定后，借助能量和動力學方法獲得金屬薄板材料沖擊性能表征模型的解析解，其中，能量法基于準靜態假設進行分析，需要材料的沖擊時間遠大于應力波的傳播時間;而動力學法的求解過程較為復雜，需要進一步簡化和完善。3金屬薄板材料沖擊性能有限元仿真技術研究

通過有限元仿真模擬金屬薄板材料的沖擊行為，研究了網格的劃分以及本構關系和失效準則的選取對沖擊性能仿真結果的影響。

（1）網格劃分

金屬薄板沖擊的有限元仿真主要借助拉格朗日型網格進行模擬，但由于材料在沖擊時會發生較大變形，引起網格畸變而導致計算失真，在采用拉格朗日型網格的同時常伴隨自適應型網格進行劃分。G.T.Camacho和M.Ortiz[2'7采用自適應型網格分析金屬薄板材料的沖擊問題，以網格形狀的內切圓和外接圓半徑之比作為網格劃分的依據，并根據不增加網格階次的方法對其進行重新劃分，能夠減少網格畸變對金屬薄板材料沖擊性能仿真結果的不良影響。

T.Borvik等[247通過有限元模擬了Weldox 460E鋼材薄板在三種不同形狀（半球、圓柱和圓錐）沖擊頭作用下的沖擊過程（如圖4所示），采用自適應和拉格朗日型兩種方法進行網格劃分，研究不同的網格劃分方法對沖擊性能模擬結果的影響，分析發現，對于半球和圓柱形沖擊頭的情況，自適應和阿格朗日型網格計算的剩余速度結果相近，其相對差異不超過7%;但對于圓錐形沖擊頭的情況，自適應型網格預測的沖擊極限速度精度更高，且其能量損失減少了10%，這是由于自適應型網格解決了沖擊時的網格畸變失真問題，從而提高了仿真模擬的有效性。

此外，沖擊過程中常存在較大的變形，為此可采用無網格方法模擬金屬薄板材料的沖擊性能。由于不依賴于網格的特性，無網格方法在解決大變形引起的網格扭曲問題上具有十分顯著的優勢，但該方法的計算穩定性較差且效率較低，需要進一步研究和探索。

（2）本構關系和失效準則選取

T.Borvik等[25]選取了Johnson-Cook本構關系分析Weldox 460E鋼材薄板的沖擊性能，仿真模擬穿透過程中產生的碎片和薄板的失效形式，分析發現，本構關系中的溫度、應變率和應力水平等參數對鋼材薄板的沖擊性能仿真結果有較大影響。

S.Dey等[26]分別選取了Johnson-Cook和Zerilli-Armstrong本構關系模型，借助LS-DYNA非線性有限元方法模擬Weldox 460E鋼材薄板的沖擊極限速度，分析結果顯示，在高溫和高應變率條件下，Johnson-Cook本構關系模型的仿真效果要優于Zerilli-Armstrong模型，因此，Johnson-Cook模型預測的沖擊極限速度精度更高。

A.Rusinek等[27]直鷓∪ower Law、Johnson-Cook和Rusinek-Klepaczko三種本構關系模型模擬不同沖擊速度下的金屬薄板沖擊性能，仿真結果說明，對于較大范圍的沖擊速度（40～300m/s）情況，Power Law和Johnson-Cook本構關系模型無法同時模擬高、低兩種沖擊速度性能，需要根據材料的應變率進行分段表征;而Rusinek-Klepaczko模型則可以對較大范圍的沖擊速度情況進行模擬，但模型形式復雜、參數多，計算結果的穩定勝較差。

陳小翠等[28]選取與應變、應變率和溫度相關的塑性本構關系模型描述剪切帶，并在能量方程中考慮剪切帶形成中的熱傳導效應，編寫了適用于金屬薄板材料高速沖擊的新單元進行有限元分析，仿真結果表明，基于新單元的有限元計算收斂穩定、精度較高，且由于考慮了熱傳導效應，網格的敏感勝小。

K.Teng和T.Wierzbicki[29]分別選取了最大切應力準則、Cockcroft-Latham準則和Bao-Wierzbicki準則模擬圓形鋼材薄板高速沖擊（沖擊速度為156.6～307.2mm/s）的失效形式，對比分析發現，最大切應力準則受到沖擊溫度的影響，其切應力先增后減，與薄板沖擊性能單調遞增的形式不一致，因此，最大切應力準則不適用于模擬金屬薄板材料沖擊的失效形式;Cockcroft-Latham準則中定義的沖擊特性參數難以確定，為仿真計算帶來不便，這一準則預測的沖擊剩余速度精度較低，不適用于模擬金屬薄板的高速沖擊性能;Bao-Wierzbicki準則考慮了塑性應變破壞的影響，能夠較好地模擬圓形鋼材薄板的沖擊剩余速度，仿真得到的沖擊失效形式也與試驗相吻合，具有很好的適用性。

大量文獻表明，有限元仿真力祛已廣泛應用于金屬薄板材料沖擊性能的模擬，仿真過程中網格的劃分、本構關系和失效準則的選取等因素均會影響計算結果的有效性。但是，目前還未能完全解決沖擊大變形引起的網格扭曲問題，可以加強對無網格方法的研究，同時，也尚未找到一種形式簡單、訓算穩定準確的本構關系進行仿真模擬，這都需要進一步修正和完善。

4 結束語

金屬薄板材料沖擊性能的研究主要包括試驗、表征方法和有限元仿真技術三個方面，取得了顯著的研究成果，幫助人們認識了金屬薄板材料沖擊特性和變化趨勢，為評估材料沖擊性能、優化設計和檢修維護提供了依據，減少由于沖擊而引發事故所造成的損失。然而，金屬薄板材料的沖擊行為復雜、影響因素多，尚未完全認清，未來可以進一步在以下幾方面開展研究：

（1）在試驗的基礎上，可以進一步研究金屬薄板材料沖擊的作用機理，采用掃描和透射電鏡技術分析斷口微觀結構，探尋沖擊引起的晶體變形、位錯滑移、凹坑演變和斷裂失效等機理的變化，為工程故障分析及維護提供幫助。

（2）沖擊性能表征方法中，能量法基于準靜態假設進行分析，應用范圍受限。而動力學法的求解過程較為復雜，可以進一步簡化。

（3）有限元仿真中可以加強對無網格方法的研究，為沖擊大變形引起的網格扭曲提供解決途徑。還要進一步開發出穩定而準確的計算方法，以便更有效地模擬金屬薄板材料的沖擊行為。

通過理論與工程實踐相結合的方法，相信未來對金屬薄板材料沖擊性能將會有更為深刻的認識和理解。

參考文獻

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