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泡沫鋁子彈撞擊下多孔金屬夾芯板的塑性動力響應研究

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，近年來被逐步應用于航空航天飛行器、高速軌道車輛、汽車、艦船等領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成夾芯結(jié)構。典型的夾芯結(jié)構由上下兩層復合.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)構較高的抗彎曲和拉伸強度，而多孔芯層材料所特有的細觀結(jié)構可以在幾乎恒應力條件下產(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)構主要應用于結(jié)構一功能性(如能量吸收、隔熱隔音、電磁屏蔽等)要求的場合。這種結(jié)構在強動載荷作用下的良好性能引起了學術界和工程界的極大關注，已成為當前學術界研究的焦點。但是，該領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作進一步系統(tǒng)深入的研究。

本文應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。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?？梢?，在結(jié)構設計中適當采用蜂窩夾芯結(jié)構可以達到較好的抗撞擊效果。結(jié)果還表明，結(jié)構響應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系。

基于Flck等關于爆炸載荷下固支夾芯梁和固支夾芯圓板的動力響應的理論分析，以及關于中心撞擊加載下固支夾芯梁的動力響應分析，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)構的整體動力響應階段。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)構后面板的最終撓度最小，表現(xiàn)出較好的承載能力。

應用有限元程序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。