鄭金國，周書婷，解江，李翰

爆炸載荷作用下2024-T3鋁合金板動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)研究

鄭金國，周書婷，解江，李翰

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

為得到2024-T3鋁合金平板結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，針對所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分別進(jìn)行了不同藥量、爆距下的多個(gè)工況的爆炸沖擊試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)后各個(gè)平板的宏觀變形對比，得到了固支約束條件對2024-T3鋁合金平板發(fā)生剪切失效產(chǎn)生的影響以及使得2mm的2024-T3鋁合金平板發(fā)生失效的爆距和藥量范圍；通過對試驗(yàn)后不同工況下的平板最大撓度的對比，得到了不同藥量、爆距對于2024-T 3鋁合金板撓度的影響規(guī)律。

2024-T3；爆炸載荷；剪切破壞；撓度

鋁合金具有密度?。▋H為鐵密度的三分之一）、塑性好、強(qiáng)度高、比重小、易成形、耐腐燭、及成本低等優(yōu)點(diǎn)，可制成各種型材、板材。出于飛機(jī)大型、多載、高速的發(fā)展需求，上世紀(jì)鋁合金行業(yè)通過添加微量元素、改變合金的化學(xué)成分、提高合金的純度、改善熔鑄質(zhì)量和加工工藝、優(yōu)化熱處理工藝等手段提高材料的性能，制備了一系列的性能優(yōu)異的航空航天結(jié)構(gòu)材料，而其中2024鋁合金即是其中的佼佼者。2024鋁合金由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐熱與疲勞性能較好，加工成本較低等特點(diǎn)，是一種具有優(yōu)良綜合性能的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料。2024鋁合金是目前應(yīng)用最廣泛的航空鋁合金之一，在波音、空客以及C919等民用飛機(jī)的機(jī)身框架、翼梁、機(jī)身蒙皮、隔框及各種航空器上需要承受高循環(huán)荷載的結(jié)構(gòu)件中都有著廣泛的應(yīng)用[1]。

恐怖襲擊事件一直嚴(yán)重威脅民用航空的飛行安全。在歷次針對民用航空的恐怖襲擊事件中，使用簡易炸彈裝置是恐怖分子經(jīng)常選用的襲擊方式。炸彈裝置在飛機(jī)內(nèi)部爆炸造成機(jī)身解體，從而造成災(zāi)難性事故。如何保證機(jī)身受到爆炸沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)完整性，是一個(gè)非常值得關(guān)注的問題。因此，研究2024鋁合金在爆炸載荷下的動(dòng)力響應(yīng)有重要的理論意義和實(shí)際的工程價(jià)值。

目前國內(nèi)外對于鋁合金板的爆炸響應(yīng)研究不多，但是對于其他金屬平板的爆炸沖擊響應(yīng)取得了一些較大的進(jìn)展，主要在失效模式、塑性變形理論計(jì)算和起裂與破口數(shù)值仿真方面。Menkes等[2]最早提出了均布加載梁的3種失效模式：模式I，非彈性大變形（1arge inelastic deformation）；模式Ⅱ，支座處拉伸破壞（tensile failure at the support）；模式Ⅲ，支座處剪切破壞（transverse shear failure at the support）。實(shí)驗(yàn)表明[3-4]：均布加載時(shí)，隨著沖量的增加，平板將依次發(fā)生上述3種失效模式。平板局部加載時(shí)[5-6]，受荷區(qū)局部撓曲（鼓包）明顯，并隨著沖量的增加，將依次出現(xiàn)頸縮環(huán)、沖碟（capping）和花瓣型（petalling）破口。近20年來國內(nèi)外許多學(xué)者一對均布加載的平板的塑性動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了大量理論研究。如Wierzbicki[7]等和Lee[8]等提出了求解局部加載圓形薄板塑性動(dòng)力響應(yīng)的波動(dòng)法，并結(jié)合模態(tài)解可得到板的最終變形。此外，目前常用商用軟件均可以對平板爆炸沖擊進(jìn)行仿真計(jì)算，但涉及到其中材料本構(gòu)模型的一些參數(shù)則需要進(jìn)行一系列的試驗(yàn)才能得到。

目前國內(nèi)外對于2024-T3鋁合金在爆炸載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)并沒有過多的研究，采用商用軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)也需要試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持。因此本文擬通過2024-T3鋁合金平板爆炸試驗(yàn)，設(shè)置多個(gè)試驗(yàn)工況，研究2024-T3在爆炸沖擊載荷下的動(dòng)力響應(yīng)，以期為今后的仿真分析提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成，分別為鋁板與固定裝置、炸藥與傳感器安置支架、實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。

鋁板與固定裝置：如圖1是鋁板及固定裝置，實(shí)驗(yàn)件2024-T3鋁板上預(yù)制12個(gè)直徑12 mm圓孔，同時(shí)上法蘭盤上有等數(shù)量、等規(guī)格圓形通孔，下法蘭盤上有等數(shù)量M12螺紋孔，用于對鋁板進(jìn)行緊固操作，具體尺寸見圖2.法蘭盤下方有內(nèi)框500 mm×500 mm的鋼支架，法蘭盤可放置其中，為了盡量減小地面反射沖擊波對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，支架高度設(shè)定為750 mm.見圖1、圖3鋁板固支示意圖。

圖1 鋁板固支示意圖

表1 平板爆炸沖擊試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果

針對本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文采用了兩種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。首先是對鋁板結(jié)構(gòu)響應(yīng)的拍攝，通過高清相機(jī)、黑色背景布和光源的使用，盡量清晰地勾勒鋁板凹陷的外輪廓，同時(shí)盡力還原試件的變形細(xì)節(jié)；第二是通過數(shù)字游標(biāo)卡尺進(jìn)行撓度的測量。由于部分平板破裂嚴(yán)重，無法測量其最大撓度。見圖4及表2.

圖2 法蘭與鋁板裝配尺寸圖

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了圓形平板直徑為500 mm，厚度為2 mm.炸藥采用TNT裝藥，試驗(yàn)所用TNT裝藥藥量分別為60 g、80 g，爆距分別為175 mm、240 mm、300 mm.在實(shí)驗(yàn)過程中，部分?jǐn)?shù)據(jù)無效或存在疑問導(dǎo)致某些工況有所重復(fù)，最終完成的有效試驗(yàn)如表1所示。

圖4 各個(gè)試驗(yàn)下的平板宏觀變形

表2 各個(gè)試驗(yàn)下的平板最大撓度

3 分析與討論

3.1 約束條件對于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響

A1、A2、A4三個(gè)試驗(yàn)的爆距設(shè)置和藥量設(shè)置是相同的（藥量60 g，爆距175 mm），但是結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況差別很大。試驗(yàn)A1中平板結(jié)構(gòu)在與法蘭接觸處發(fā)生剪切破壞，平板中心部分發(fā)生了斷裂破壞，最終整個(gè)平板呈現(xiàn)出花瓣式失效特征。試驗(yàn)A2下平板結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性變形，但尚未發(fā)生破壞。圖中A4展現(xiàn)的是被炸掉的法蘭以外的平板，該試驗(yàn)下平板與法蘭接觸處發(fā)生了剪切破壞，平板中心部分發(fā)生了斷裂破壞。

B1和B3兩個(gè)試驗(yàn)的爆距和藥量設(shè)置也是相同的（藥量80 g，爆距175 mm），但兩種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況差別也很大。試驗(yàn)B1下，在爆炸沖擊載荷作用下，平板中心部分發(fā)生了斷裂破壞，平板與法蘭連接處沒有發(fā)生剪切破壞。試驗(yàn)B3中，平板結(jié)構(gòu)在與法蘭接觸處發(fā)生剪切破壞，平板中心部分發(fā)生了斷裂破壞，最終整個(gè)平板呈現(xiàn)出花瓣式失效特征。對比B1和B5，兩個(gè)試驗(yàn)下的藥量相同，B1爆距相較于B5（爆距300 mm）較近，B1沒有發(fā)生嚴(yán)重的剪切破壞，而爆距較遠(yuǎn)的B5工況發(fā)生了嚴(yán)重的剪切破壞。

通過對以上各個(gè)工況的對比分析，可以認(rèn)定剪切破壞的發(fā)生主要直接相關(guān)條件是固支約束條件，雖然與藥量和爆距有一定關(guān)系，但是約束條件是最核心的因素。平板通過法蘭固置在某個(gè)位置，法蘭通過螺栓固定在支架上。當(dāng)法蘭對平板的約束力較強(qiáng)時(shí)平板結(jié)構(gòu)極易發(fā)生剪切破壞。

3.2 藥量和爆距對結(jié)構(gòu)宏觀變形的影響。

對比分析各個(gè)試驗(yàn)的平板圖片，可以看出藥量變化沒有爆距變化對鋁板破裂的影響程度大，在175 mm爆距時(shí)鋁板均發(fā)生嚴(yán)重的破裂，且無論是60 g或是80 g藥量失效結(jié)果均呈現(xiàn)出花瓣式失效特征。同時(shí)，隨著爆距的增大，鋁板的塑性變形程度減輕。通過觀察對比60 g藥量的三個(gè)試驗(yàn)A3（爆距240 mm）、A4（爆距175 mm）、A5（爆距300 mm）和80 g藥量的三個(gè)試驗(yàn)B1（爆距175 mm）、B2（爆距240 mm）、B4（爆距300 mm）的結(jié)構(gòu)宏觀變形，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)爆距減小時(shí)，鋁板中心因沖擊波作用所形成的鐘乳形凸起特征愈發(fā)明顯，工況A4和B1甚至在鐘乳形塑性變形區(qū)發(fā)生破裂。結(jié)合部分破裂嚴(yán)重的情況可以推測，鋁板從彈性形變進(jìn)入塑性形變到最終的結(jié)構(gòu)失效，失效是從鋁板圓心一定范圍內(nèi)開始發(fā)生并且在后續(xù)沖擊波或爆轟產(chǎn)物作用下發(fā)生了花瓣式破裂。

3.3 不同爆距和藥量下的鋁板撓度分析

觀察表2鋁板結(jié)構(gòu)響應(yīng)后撓度測量表可知，相同工況下最大撓度也存在一定差異，這和約束條件以及實(shí)驗(yàn)誤差均存在一定關(guān)系?？傮w來看，爆距越近最大撓度越大，如A2、A4工況均是60 g、175 mm，其最大撓度也較相似分別是64.61 mm和63.58 mm；在爆距相同的情況下藥量越大，最大撓度相應(yīng)會(huì)增加，如試驗(yàn)B1（藥量80 g、爆距175mm）最大撓度增加到73.74 mm；上述特征在不同工況中均有體現(xiàn)，如試驗(yàn)A3（藥量60 g、爆距240 mm）對比試驗(yàn)B2（藥量80 g、爆距240 mm）撓度減小，試驗(yàn)A4對比試驗(yàn)A2（藥量60 g、爆距175 mm）撓度減小。同時(shí)，隨著爆距的增加，藥量對最大撓度的影響逐漸減弱，如試驗(yàn)A5（藥量60 g、爆距300 mm）與試驗(yàn)B4（藥量80 g、爆距300 mm）比較最大撓度已經(jīng)較為接近，其他位置撓度也極為近似。說明不同藥量下?lián)隙仍诒ń鼒鰰r(shí)差異較大，當(dāng)爆距增大時(shí)差異逐漸縮小。試驗(yàn)B5（藥量80 g、爆距300mm），由于固支邊界條件良好，導(dǎo)致B5試驗(yàn)中提供鋁板塑性變形的能量很大程度上被剪切破壞所需能量分解，導(dǎo)致B5試驗(yàn)下?lián)隙容^B4小。

4 結(jié)束語

本文針對2024鋁合金平板，分別采用不同的爆距、藥量進(jìn)行了爆炸沖擊試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)后平板結(jié)構(gòu)的宏觀變形和撓度的對比分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）對于2 mm 2024-T3航空鋁合金平板而言，無論60 g或者80 g在爆距為175 mm情況下鋁板均會(huì)發(fā)生輕微或者嚴(yán)重的破裂情況，而在爆距為240 mm和300 mm時(shí)鋁板均沒有發(fā)生中心破裂的情況，因此可以斷定在175mm的爆距下使得2 mm 2024 -T3鋁合金發(fā)生失效的藥量在60 g以內(nèi)。

（2）鋁合金平板的失效模式不僅與藥量、爆距相關(guān)，還與固支約束條件有關(guān)。固支約束會(huì)影響結(jié)構(gòu)的剪切破壞，當(dāng)法蘭對平板的固支約束力較強(qiáng)時(shí)，平板結(jié)構(gòu)極易發(fā)生剪切破壞。

（3）爆距越近、藥量越大，對結(jié)構(gòu)的作用力越強(qiáng)，但是隨著爆距的增加，藥量對最大撓度的影響逐漸降低。

[1]劉兵，彭超群，王日初，等.大飛機(jī)用鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20（9）：1705-1715.

[2]Menkes S B.Opat H J．Broken beams：tearing and shear fail ures in explosively loaded clamped beams[J]．Experimental Mechanics，1973（13）：480-486．

[3]Teeling-Smith R G，Nufick G N.The deformation and tearing of thin circular plates subjected to impulsive loads[J]．Int J Impact Engineering，1991（11）：77-91．

[4]Olson M D，Nurick G N，F(xiàn)agnan JR.Deformation and rupture of blast loaded square plates predictions and experiments [J]．Int J Impact Engineering，1993（13）：279-291．

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[6]Langdon G S，Yuen S C K，Nurick G N.Experimental and numerical studies on the response of quadrangular stiffened plates.Part II：localised blast loading[J].International Journal of Impact Engineering，2005，31（1）：85-111.

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Experimental Method for Dynamic Response of2024-T3 Aluminumalloy Plate under Blast Load

ZHENG Jin-guo，ZHOU Shu-ting，XIE Jiang，LI Han
（Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

In order to obtain the dynamic response of 2024-T3 aluminum alloy plate under explosive impact load，explosion shock tests under different conditions of different explosive quantities and collapse distance were carried out for the designed test model.By comparing the macroscopic deformation of plate under different working conditions，the influence of clamped boundary condition on shear failure of 2024-T3 aluminum alloy plate and failure distance of 2mm 2024-T3 aluminum alloy plate were obtained.The influence of different explosive quantities and collapse distances on the deflection of 2024-T3 aluminum alloy was obtained by comparing maximum deflections of the plates under different operating condition after the test.

2024-T3；explosion loading；shear failure；deflection

V250

A

1672-545X（2017）02-0127-04

2016-11-13

中國民航大學(xué)2016年研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號Y16-29）

鄭金國（1990-），男，山東德州人，碩士，研究方向：機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。