層狀復合結構的應力波傳播規律及能量耗散機制研究

鄒有純， 熊 超， 殷軍輝， 鄧輝詠， 崔凱波

(陸軍工程大學(石家莊校區) 火炮工程系，河北 050003)

層狀復合結構由兩種及以上具有不同機械性能的材料組成。研究表明，層狀復合結構在承受外部載荷時表現出優異的抗沖擊性能[1-2]。與均質材料相比，層狀復合結構質量更輕，抗沖擊性能更好并且更具設計性。由于輕質和良好的抗沖擊性能，層狀復合結構近年來在軍事防護，汽車工業和航空航天工業中受到了廣泛應用[3]。

為了深入研究層狀復合結構的抗沖擊性能，學者們對層狀復合結構的動態力學行為進行了廣泛的研究。目前，應用較多的防護結構的形式包括陶瓷/纖維復合材料[4]，陶瓷/金屬[5-6]。測試方法多集中于侵徹和損傷效應的評估。為了充分發揮層狀復合結構的抗沖擊性能，有必要運用材料的動態力學理論指導工程實踐。固體在沖擊載荷下的動態響應本質上是固體質點的慣性效應和材料本構關系的應變率效應，通常可以通過應力波傳播特性來分析材料的動態壓縮性能[7-8]。然而，目前對層狀復合結構動態力學性能的研究主要集中在侵徹和損傷效應的評估方面，很少涉及應力波傳播特性的研究。

泡沫鋁等金屬多孔材料憑借良好的吸能減震性能，普遍應用于抗沖擊結構中。肖先林等[9]通過子彈沖擊試驗總結出了碳纖維-泡沫鋁夾芯板的失效形式，并通過有限元方法發現提高芯層的相對密度，剛度和強度能增強夾芯板抵抗沖擊變形的能力，但是由于整體變形較小，不利于吸能。沈佳興等[10]設計了泡沫鋁填充的礦用救生艙，通過ANSYS Workbench對結構參數進行優化。結果表明泡沫鋁填充顯著地減小了救生艙碰撞時的最大變形和最大加速度，提高了救生艙的碰撞性能。張元豪等[11]通過中低速破片模擬彈的侵徹試驗總結了泡沫鋁夾芯結構的損傷機制，并分析了背板層厚度對泡沫鋁夾芯結構防護性能的影響。目前，對由泡沫鋁組成的層狀復合結構的研究相對成熟，其抗沖擊性能的提高空間小。為了開發具有更強的抗沖擊性能的復合結構，需要應用新的材料。金屬絲纏繞材料(entangled metallic wire material,EMWM)是通過沖壓纏結的金屬絲制成的一種特殊的多孔金屬材料。金屬絲纏繞材料彈性好，并且較高孔隙率有助于吸收沖擊波能量[12]。EMWM在真空，高低溫等復雜環境下具有良好的阻尼性能，在航空航天，海洋船舶等特種裝備領域的減震和隔震裝置得到廣泛應用。目前對EMWM的研究主要集中于宏觀力學性能及其形成機理[13]，力學性能[14-17]及其影響因素[18-20]，制造工藝[21-22]等。本研究探索了EMWM在抗沖擊領域的應用。

目前，對于3種及以上材料的層狀復合結構應力波傳播特性的研究還很少，而且很少將EMWM應用于抗沖擊領域。基于抗沖擊結構的基本形式，采用碳化硅陶瓷(SiC)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和鈦合金(TC4)設計了SiC/UHMWPE/TC4和SiC/TC4/UHMWPE復合結構。通過SHPB(split-Hopkinson pressure bar)試驗和數值模擬分析了復合結構的破壞模式和應力波傳播特性。基于EMWM的優異的吸能特性，研究了EMWM層狀復合結構的動態力學性能，討論了材料的排列順序對復合結構動態力學性能的影響。最后分析了4種復合結構的能量耗散機制。本研究對層狀復合防護結構的設計和性能提高具有指導意義。

1 材料和方法

1.1 材 料

如圖1所示，制備復合結構的材料包括碳化硅陶瓷(SiC)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和鈦合金(TC4)。根據SHPB的規格，材料切割為直徑40 mm的圓柱體。SiC, UHMWPE, TC4的厚度分別為5 mm，5 mm和6 mm。

(a) 碳化硅陶瓷

基于復合防護結構合理的組合形式，設計了表1中的層狀復合結構。SiC由于高硬度和高強度，通常用作復合結構的面板。但是，SiC陶瓷易碎并且抗拉強度低，需要與其他材料組合使用。UHMWPE具有高的比強度和比模量，可以抵抗沖擊并消耗剩余能量。TC4用于復合防護結構中可以進一步提高防護性能。UHMWPE和TC4置于不同的位置以討論材料的排布順序對復合結構動態力學性能的影響。不同材料間的界面用凡士林黏合。

1.2 方 法

1.2.1 SHPB測試

如圖2所示，高速沖擊試驗在SHPB裝置上進行。壓桿為直徑45 mm的7075鋁合金桿。撞擊桿，入射桿和透射桿的長度分別為400 mm，2 500 mm和2 500 mm。使用德國PCO公司生產的PCO.1200hs高速攝像機拍攝整個沖擊過程。撞擊桿的沖擊速度為30 m/s。為了保證試驗結果的準確性，每種結構分別準備了3個試樣，并取3次測試結果的平均值。

表1 層狀復合結構

圖2 SHPB裝置示意圖

1.2.2 有限元模型

使用LSDYNA軟件進行有限元分析。通過8節點solid164單元建立模型，模型的物理幾何參數與試驗條件保持一致。整個模型設置為只有軸向一個自由度。壓桿的網格尺寸為1 mm，復合結構試樣的網格尺寸為0.5 mm。撞擊桿加載速度設置為30 m/s。不同實體之間的接觸由*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACE_TO_SURFACE定義。壓桿采用各向同性線性彈性材料模型*MAT_ELASTIC_TITLE定義，密度為2.81 g/cm3，彈性模量為71 GPa，泊松比0.33。SiC，UHMWPE和TC4的模型參數如表2～表4所示。

表2 SiC的*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS參數[23]

2 結果和討論

2.1 試驗結果與模擬結果

圖3表示通過SHPB試驗和數值模擬獲得的復合結構的入射，反射和透射信號。結果表明，數值模擬結果與試驗結果吻合，可以通過建立有限元模型研究復合結構的動態力學行為。本文中，透射率定義為透射波的波峰與入射波的波峰的比值。復合結構Ⅰ，Ⅱ的透射率分別為0.82和0.88，證明材料的排列會影響復合結構的應力波耗散性能。

表3 UHMWPE的*MAT_COMPOSITE_DAMAGE參數[24]

表4 TC4的*MAT_JOHNSON_COOK參數

2.2 破壞模式分析

圖4是沖擊過程中復合結構I的高速攝影圖像和應力云圖。本文中所有高速攝影圖像和應力云圖中壓桿的沖擊方向如圖4(a)所示，首先受到沖擊的是SiC。如圖4所示，當應力波到達復合結構I時，SiC開始失效。從圖4(a)、圖4(b)的應力云圖可以看出，SiC與UHMWPE的界面處存在拉伸應力。由于SiC的波阻抗高于UHMWPE的波阻抗[25-26]，應力波在SiC和UHMWPE的界面處以拉伸應力波的形式反射，從而導致SiC的拉伸破壞。UHMWPE的硬度低，可為SiC提供緩沖。因此，SiC首先在UHMWPE表面破裂成塊狀，之后崩落。

圖4 結構Ⅰ 碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/鈦合金

圖5是復合結構II的高速攝影圖像和應力云圖。復合結構II中的SiC處于崩落狀態，且SiC碎片比復合結構I中的小。上述破壞模式表明，復合結構II中SiC的破壞程度高于復合結構I中的SiC的破壞程度。SiC，TC4，UHMWPE和EMWM的波阻抗排布為SiC>TC4>UHMWPE>EMWM，因此從圖5(a)的應力云圖可以看出，SiC與TC4界面處同樣存在拉伸應力。此外，SiC的背板是TC4，硬度更高。給予SiC較強的支撐力。上述兩個因素導致復合結構II中SiC的破壞程度高于復合結構I中SiC的破壞程度。

2.3 應力波傳播特性

為了進一步研究復合結構的動力學響應，通過有限元方法計算出了復合結構在應力波傳播過程中的應力分布。所選時刻處于應力波首次傳播通過復合結構的過程中。圖6表示復合結構I在不同時刻的軸向應力分布。在橫坐標中，L代表復合結構的總長度，x/L代表復合結構的不同位置(x/L=0表示入射桿與SiC之間的界面；x/L=1表示TC4和透射桿之間的界面；x/L=1/3表示SiC和UHMWPE之間的界面；x/L=2/3表示UHMWPE和TC4之間的界面)。從圖6可以看出，SiC的應力分布不均勻，并且在加載過程中存在應力波動。在應力劇烈波動的區域會產生應力集中現象，從而導致SiC內部產生裂紋源并降低SiC的破壞強度。UHMWPE的軸向壓應力逐漸減小，在TC4和UHMWPE的界面處形成拉應力。界面處的拉應力會破壞界面并加劇材料的損傷。

圖5 結構Ⅱ 碳化硅陶瓷/鈦合金/超高分子量聚乙烯

圖6 結構Ⅰ的應力分布

圖7表示復合結構II的軸向應力分布。復合結構Ⅱ中的SiC的應力分布范圍和應力值均小于復合結構Ⅰ。然而，復合結構II中的TC4對SiC產生了較強的支撐作用，導致SiC的破壞程度更高。TC4的應力先增大，然后趨于均勻。TC4和UHMWPE之間存在較小的應力波動。UHMWPE的應力逐漸降低。與復合結構I相比，復合結構Ⅱ中的界面處的應力較小并且過渡更平滑。TC4和UHMWPE的軸向應力分布相對均勻，可以避免由于嚴重的應力波動而破壞材料。

2.4 金屬絲纏繞材料夾芯結構

金屬絲纏繞材料(EMWM) 如圖8所示。本研究中，將EMWM置于UHMWPW和TC4之間來研究EMWM復合結構的動態力學性能。基于復合結構Ⅰ，Ⅱ的形式，設計了表5中的復合結構。EMWM由絲徑為0.3 mm的0Cr10Ni9不銹鋼絲沖壓而成。EMWM試樣厚度10 mm，橫截面直徑為40 mm，密度為2.37 g/cm3。

圖7 結構Ⅱ的應力分布

圖8 金屬絲纏繞材料

表5 金屬絲纏繞材料復合結構

復合結構Ⅲ，Ⅳ的入射，反射和透射信號如圖9所示。將EMWM復合結構Ⅲ，Ⅳ同復合結構Ⅰ，Ⅱ對比，可以發現EMWM復合結構的透射波的上升速率，幅值和波長顯著減小，反射波幅值略小于入射波幅值。上述現象表明，EMWM對通過復合結構的彈性壓縮波具有遲滯效應，并有效地阻礙和減小了應力波的透射傳播。

圖10是復合結構III的高速攝影圖像。通過在復合結構I的UHMWPE和TC4之間加入EMWM制成復合結構III。如圖10所示，復合結構III受到沖擊時，SiC和UHMWPE開始壓縮EMWM，EMWM側向膨脹。由于UHMWPE和EMWM的緩沖作用，SiC沒有產生損傷。隨著進一步沖擊，EMWM達到了壓縮極限，SiC在UHMWPE表面碎裂。隨后，如圖10(d)所示，EMWM由于彈性，變形恢復。與復合結構I相比，復合結構III的SiC完整度更高。因此，復合結構III具有比復合結構I更好的抗沖擊性能。

圖9 試驗信號

圖10 結構Ⅲ 碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/金屬絲纏繞材料/鈦合金

圖11是復合結構IV的高速攝影圖像。 通過在復合結構II中的TC4和UHMWPE之間加入EMWM制成復合結構IV。如圖11所示，復合結構Ⅳ受到沖擊時，SiC和TC4開始壓縮EMWM，EMWM側向膨脹。TC4較強的支撐作用導致SiC碎裂。與復合結構Ⅱ相比，SiC在復合結構Ⅳ中的破壞程度較小。與復合結構III相比，TC4的強支撐作用導致復合結構IV中SiC的破壞程度更高。此外，由于TC4的彈性模量大，因此在受到沖擊載荷時TC4的變形很小，這導致所有變形都集中在EMWM上。因此，復合結構IV的EMWM的變形高于復合結構III中EMWM的變形。

在復合結構Ⅰ，Ⅱ的基礎上加入EMWM，有效地延遲了應力波，阻礙了應力波的透射，減小了透射能量。SiC的損傷程度排列為Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ。EMWM的緩沖作用使得復合結構III，IV的SiC損傷程度分別小于復合結構I，II的SiC損傷程度。此外，TC4較強的支撐作用使復合結構II和IV的SiC損傷程度分別大于復合結構I和III中SiC的損傷程度。

圖11 結構Ⅳ 碳化硅陶瓷/鈦合金/金屬絲纏繞材料/超高分子量聚乙烯

2.5 能量耗散機制

研究能量轉換過程對分析復合結構的能量耗散機制具有重要價值。根據能量守恒定律[27]，入射能量Wi，反射能量Wr，透射能量Wt，吸收能量W，比能量吸收S和透射率Wa表示如下。

(1)

(2)

(3)

W=Wi-Wr-Wt

(4)

(5)

(6)

式中:A，C，E分別為壓桿的橫截面積、波速和彈性模量；σi，σr，σt分別為入射應力，反射應力和透射應力;εi，εr，εt分別為入射應變，反射應變和透射應變;T為加載時間；M為試樣的質量。

計算結果如表6所示。由于試樣的質量和入射能不同，應參考復合結構的比能量吸收S。可以發現，復合結構Ⅰ，Ⅱ的比能量吸收S遠大于復合結構Ⅲ，Ⅳ的比能量吸收S。在沖擊復合結構的過程中，W的主要來源是SiC的破壞，這說明復合結構Ⅰ，Ⅱ主要依靠SiC的破壞來耗散能量。

表6 能量轉換

結合透射能Wt，透射率Wa和反射能Wr分析復合結構III，IV的能量轉換機理。從表6可以看出，復合結構III，IV的透射能和透射率遠小于復合結構I，II的透射能和透射率，并且復合結構III，IV的反射能遠大于復合結構I，II的反射能。由于EMWM的波阻抗較低，EMWM的入射能量大部分被反射，導致復合結構III，IV的透射能量較低，反射能量較高。因此，復合結構III，IV主要依靠反射大部分入射能量來耗散能量。

4種復合結構的能量耗散機理可歸納為兩類：① 復合結構I，II主要依靠SiC的破壞來耗散能量，導致SiC產生嚴重破壞并且透射率較高；② 復合結構III，IV主要依靠EMWM反射大部分入射能量來耗散能量，從而降低了透射率，而且SiC損傷程度低。通過對能量轉換過程的分析和兩種能量耗散機制的比較進一步證明了EMWM層狀復合結構優異的抗沖擊性能。

3 結 論

本文以層狀復合結構為研究對象。建立了SHPB試驗的有限元模型，并驗證了其正確性。通過SHPB試驗和仿真，分析了復合結構的破壞模式，應力波傳播特性和能量耗散機制。主要結論如下:

(1) 復合結構Ⅰ中，SiC破壞程度低，界面處出現拉伸應力加劇材料破壞，復合結構整體應力波動劇烈。復合結構Ⅱ中，SiC破壞程度高，界面處應力小并且過渡平滑，TC4和UHMWPE的應力分布均勻。

(2) EMWM可以有效地延遲應力波并阻礙應力波的透射，極大地減小透射能量。SiC的損傷程度受其背板材料的影響很大。SiC的損傷程度排列為Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ。復合材料Ⅲ，Ⅳ中的SiC損傷明顯低于復合材料Ⅰ，Ⅱ中的SiC損傷，證明EMWM的緩沖作用減小了SiC的損傷。通過進一步的比較發現，復合結構III的SiC損傷低于復合結構IV的SiC損傷。可以初步確認，應將UHMWPE用作SiC的背板，以充分發揮UHMWPE和EMWM的緩沖作用，而TC4作為SiC的背板則不能最大程度發揮緩沖作用。復合結構Ⅰ的SiC損傷低于復合結構Ⅱ的SiC損傷，也可以證明這一結論。

(3) 本文復合結構的耗能機理可以總結為兩類。復合結構I，II主要通過SiC的破壞來耗散能量，透射率高，SiC破壞程度高。復合結構III，IV通過EMWM來反射大部分入射能量，透射率低，SiC破壞程度低。EMWM復合結構的抗沖擊性能更好，耗能機制更合理。