泡沫鋁子彈撞擊下多孔金屬夾芯板的塑性動力響應(yīng)研究

超輕多孔金屬作為理想吸能材料，因其輕質(zhì)、具有較高的吸能特性等優(yōu)點，近年來被逐步應(yīng)用于航空航天飛行器、高速軌道車輛、汽車、艦船等領(lǐng)域和重要建筑物的吸能緩沖、減震裝置上。其主要使用形式之一-是由高空隙率多孔金屬為芯層構(gòu)成夾芯結(jié)構(gòu)。典型的夾芯結(jié)構(gòu)由上下兩層復(fù)合.材料或金屬面板和多孔芯層(格柵、金屬泡沫和點陣材料等)組成。面板提供給結(jié)構(gòu)較高的抗彎曲和拉伸強度，而多孔芯層材料所特有的細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以在幾乎恒應(yīng)力條件下產(chǎn)生人的塑性變形，從而在變形過程中耗散大量的能量。此類結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)一功能性(如能量吸收、隔熱隔音、電磁屏蔽等)要求的場合。這種結(jié)構(gòu)在強動載荷作用下的良好性能引起了學(xué)術(shù)界和工程界的極大關(guān)注，已成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的焦點。但是，該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，許多工作還很不完善。因此，有必要對撞擊載荷下多孔金屬夾芯板的動力響應(yīng)作進(jìn)一步系統(tǒng)深入的研究。

本文應(yīng)用泡沫金屬子彈撞擊加載的方式研究了固支夾芯方板和等質(zhì)量實體方板的動力響應(yīng)。從實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬方面開展了系統(tǒng)的工作。取得如下重要成果:

實驗研究發(fā)現(xiàn)，泡沫鋁子彈撞擊下，夾芯板的變形主要集中在子彈作用的中心區(qū)域。前面板主要表現(xiàn)為子彈作用區(qū)域的壓入變形，其失效模式分為壓入失效和侵徹失效。心層的變形在中心區(qū)域可分為壓縮失效和剪切失效，在與中心區(qū)域較近的周邊區(qū)域有較小的壓縮，而在接近固支邊的區(qū)域則幾乎沒有壓縮變形。后面板的變形為非彈性大變形，中心點撓度最大部分試件在中心點周圍伴有花瓣形的變形，周邊撓度最小，整體變形為穹形。通過與準(zhǔn)靜態(tài)加載實驗結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)，動態(tài)加載下板的主要塑性變形發(fā)生在泡沫子彈撞擊區(qū)域，而且變形是連續(xù)的。而準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下在壓頭的周邊和固支邊，板的傾角不同，這些位置存在明顯的靜態(tài)塑性鉸。

參數(shù)研究(包括沖量、面板厚度、芯層厚度及芯層密度對結(jié)構(gòu)變形/失效的影響)表明，與等質(zhì)量的實體板相比，多孔金屬夾心板具有優(yōu)越的抗撞擊性能，同時在木文研究的兩種不同芯層等質(zhì)量的夾芯板中蜂窩鋁夾芯板又優(yōu)于泡沫鋁夾芯板。可見，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中適當(dāng)采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)可以達(dá)到較好的抗撞擊效果。結(jié)果還表明，結(jié)構(gòu)響應(yīng)對子彈沖量和芯層密度比較敏感，后面板中心點的永久變形與泡沫子彈沖量或芯層密度近似成線性關(guān)系。

基于Flck等關(guān)于爆炸載荷下固支夾芯梁和固支夾芯圓板的動力響應(yīng)的理論分析，以及關(guān)于中心撞擊加載下固支夾芯梁的動力響應(yīng)分析，本文將泡沫子彈撞擊下多孔金屬夾芯板的變形過程分為三個階段，分別是前面板獲得沖量階段、芯層壓縮階段和夾芯結(jié)構(gòu)的整體動力響應(yīng)階段。建立了泡沫金屬了彈撞擊下多孔金屬夾芯方板的剛塑性分析模型，得到了響應(yīng)時間和后面板的最大撓度，分析結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。在此基礎(chǔ)上研究了子彈加載半徑、芯層密度及芯層厚度對固支夾芯板最終撓度的影響。結(jié)果表明，增加芯層密度能夠提高結(jié)構(gòu)的抗撞擊能力;芯層厚度與板的半邊長的比值(C/L)大約為0.12時，結(jié)構(gòu)后面板的最終撓度最小，表現(xiàn)出較好的承載能力。

應(yīng)用有限元程序LS-DYNA.V970在HP-J6750工作站上模擬了泡沫鋁子彈撞擊下多孔金屬夾芯板的動力響應(yīng)的全過程。數(shù)值結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比充分驗證了本文建立的有限元模型的可靠性。通過泡沫子彈加載和壓力加載的對比表明，多孔金屬夾芯板與等質(zhì)量的實體板表現(xiàn)出的不同抗撞擊性能主要由結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)決定。夾芯板變形過程中，前面板和多孔芯層吸收了大部分能量。研究表明，增加相同質(zhì)量的前提下，增加芯層厚度比增加面板厚度能獲得更好的抗撞擊效果。沖量一定的條件下，蜂窩鋁夾芯板的抗撞擊能力優(yōu)于等質(zhì)量的泡沫鋁夾芯板。