蔡林剛 杜志鵬 李曉彬 張 磊 李 營

(海軍研究院1) 北京 102401) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

多孔金屬具有質(zhì)量輕，高效吸能等優(yōu)點(diǎn)，常被用作船舶、飛機(jī)、汽車等結(jié)構(gòu)的耗能元件，也被用在爆炸沖擊防護(hù)領(lǐng)域[1].泡沫金屬夾芯板是由金屬面板、背板及中間的輕質(zhì)泡沫金屬夾芯組成，具有較好的比剛度，其抗動(dòng)載荷的良好性能引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注.爆炸作用中，不僅會(huì)產(chǎn)生爆炸沖擊波，也會(huì)產(chǎn)生爆炸破片或次生破片[2-3].泡沫鋁夾芯板在實(shí)際使用過程中，不僅面臨爆炸沖擊波的威脅，也遭受爆炸破片的考驗(yàn).研究泡沫鋁夾芯板在沖擊波與破片聯(lián)合作用下的毀傷特性對于泡沫防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義.

學(xué)者對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的抗強(qiáng)動(dòng)載能力高度重視，開展了大量研究工作.Ivaez等[4]開展了泡沫夾層結(jié)構(gòu)在彈體侵徹下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值仿真研究，結(jié)果表明數(shù)值仿真能有效模擬泡沫夾心結(jié)構(gòu)的抗侵徹特性.Li等[5]研究了泡沫鋁夾心殼體在空中爆炸作用下的能量吸收，結(jié)果表明:殼體曲率影響抗爆性能.Langdon等[6]分析了不同密度、不同面板厚度泡沫鋁夾心在空爆載荷作用下的失效特性，研究指出面板厚度顯著影響芯層破壞效果；Radford等[7-8]分析了泡沫鋁彈體撞擊模擬局部爆炸載荷的方法，并研究了局部高強(qiáng)沖擊載荷作用下泡沫鋁夾芯板的變形.研究主要針對爆炸載荷作用下泡沫鋁夾芯板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和毀傷模式，對爆炸沖擊波與破片群聯(lián)合作用下的響應(yīng)規(guī)律和毀傷模式關(guān)注不夠.

本文設(shè)計(jì)了泡沫鋁靶板實(shí)驗(yàn)裝置，通過爆炸驅(qū)動(dòng)預(yù)制破片的方式實(shí)現(xiàn)了爆炸沖擊波和破片群聯(lián)合作用于泡沫鋁靶板，分析了面板、泡沫鋁芯層和背板的破壞模式和前后靶板的整體變形，分析了背板花瓣型開裂的過程和機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

邊界條件對爆炸載荷作用下板的響應(yīng)有十分重要的影響.為了避免產(chǎn)生較大的面內(nèi)拉伸，將靶板夾持在底座與蓋板之間，并用24個(gè)直徑18 mm的螺栓固定.底部基座采用Q345R制作，高度為300 mm.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1.靶板為600 mm×600 mm，有效抗爆面積為400 mm×400 mm.

為模擬爆炸沖擊波與破片聯(lián)合作用，采用TNT裝藥驅(qū)動(dòng)預(yù)制破片的加載方法.預(yù)制破片采用2 mm Q235鋼板線切割加工而成，單顆破片的尺寸為5 mm×5 mm×2 mm，質(zhì)量約0.35 g，采用透明膠帶將密集排布的破片粘貼在TNT藥柱底面.裝藥采用8號雷管從柱狀裝藥頂端引爆.通過懸垂的方式將裝藥置于目標(biāo)靶板正上方.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及試樣

1.2 試樣

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑? mm+10 mm+1 mm的泡沫鋁夾層板.面板為3003鋁，其材料參數(shù)為：密度2.7 g/mm3，彈性模量72.1 GPa，泊松比0.33，屈服強(qiáng)度120 MPa.泡沫鋁芯層為某新材料研究院生產(chǎn)的泡沫鋁板材，泡沫鋁層的材料為工業(yè)純鋁，孔隙率為84%，密度為0.92 g/mm3，楊氏模量為0.694 GPa，屈服強(qiáng)度為7.5 MPa.面板、芯層和背板使用環(huán)氧樹脂膠粘連接.

1.3 試驗(yàn)工況

為了對比不同藥量、不同爆炸距離對耦合毀傷效果的影響，分別開展了20 g裝藥和50裝藥的實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)的破片數(shù)量分別為17和21個(gè)，共開展了5組實(shí)驗(yàn).具體工況見表1.

表1 試驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 耦合載荷分析

裝藥發(fā)生爆炸時(shí)，爆炸沖擊波與爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)飛片加速運(yùn)動(dòng).破片速度近似于裝藥驅(qū)動(dòng)平板，計(jì)算公式為

(1)

破片穿甲時(shí)間為

td=2b/(vi+vr)

(2)

式中：b為靶板厚度；vi，vr分別為入射速度和剩余速度.

球形爆炸作用下，板架結(jié)構(gòu)獲得沖擊動(dòng)能為

(3)

式中：a，b，ht分別為結(jié)構(gòu)的長、寬、厚；ρ為結(jié)構(gòu)材料密度；Ai為與裝藥有關(guān)的系數(shù)，對于TNT一般取200～250；Q為裝藥量；r為距爆炸中心的距離.

沖擊波正壓作用時(shí)間為

(4)

根據(jù)式(1)計(jì)算得到爆炸驅(qū)動(dòng)破片的動(dòng)能為48.47 kJ，根據(jù)式(3)得到爆炸沖擊波對泡沫鋁夾芯板的動(dòng)能為0.319 kJ.可以看出，爆炸破片群動(dòng)能遠(yuǎn)大于泡沫鋁由沖擊波得到的動(dòng)能. 在較近距離以內(nèi)，沖擊波先于破片作用于結(jié)構(gòu)物.根據(jù)式(4)計(jì)算得到?jīng)_擊波正壓作用時(shí)間約為0.16 ms.沖擊波與破片到達(dá)的時(shí)間間隔為Δt，Δt+tdt+，說明本文實(shí)驗(yàn)中爆炸沖擊波與破片將產(chǎn)生疊加作用.

2.2 變形及失效模式

2.2.1面板破壞模式

前板中心區(qū)域有一定的灼燒痕跡，出現(xiàn)發(fā)黑甚至有黑色斑點(diǎn)殘留在面板上，這是由于炸藥爆炸初期產(chǎn)生的高溫爆轟產(chǎn)物引起的.從破壞模式來看，由于炸藥當(dāng)量相對較少，前板并未發(fā)生較為明顯的大區(qū)域塑性變形，主要為分布式的穿甲孔，且穿孔直徑較小，與破片尺寸相當(dāng).從破壞形態(tài)來看主要分兩種：

1) 未出現(xiàn)明顯的穿孔連接，見圖2.各穿甲孔相對分散，相距一定的距離.不同破片對面板的局部侵徹作用沒有耦合效果.圖2a)、圖2b)面板中心區(qū)域局部凹陷不明顯，圖2c)面板中心區(qū)域有局部凹陷.

2) 破片穿孔連接成裂紋，見圖3.破片群形成距離較近的穿孔，面板在破片侵徹及爆炸沖擊波共同作用下運(yùn)動(dòng)，局部面內(nèi)拉伸，將破片穿孔連接，形成局部貫穿裂紋.圖3a)形成了一處貫穿裂紋，而圖3b)則由于破片數(shù)量增多及局部爆炸沖擊波載荷變大，形成了3處較為明顯的貫穿裂紋.

圖2 破片未連接成裂紋

圖3 破片穿孔連接成裂紋

圖4為破片穿孔直徑與爆炸距離的關(guān)系.工況1～工況5的彈孔分布直徑分別為199.2，163.2，345.6，178.8和130.8 mm，同等裝藥下，靶板離TNT的距離越遠(yuǎn)，破片作用區(qū)域的直徑越大，且同一裝藥下近似呈線性關(guān)系.

圖4 破片穿孔直徑與爆炸距離的關(guān)系

2.2.2芯層的變形及失效

不同爆炸當(dāng)量和不同距離空中爆炸沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下，泡沫鋁夾芯板芯層的破壞模式不同，總體來說呈現(xiàn)出漸進(jìn)的特點(diǎn).當(dāng)爆炸當(dāng)量較小，距離較遠(yuǎn)時(shí)，芯層破壞并未連成整體；隨著距離的變小，除了部分剝落以外，還發(fā)生芯層與面板脫開，芯層內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，見圖5a)～b).

當(dāng)藥量較大時(shí)(50 g)，隨著距離變小，破片密集作用區(qū)域的泡沫鋁材料連成一體，芯層剝落的面積逐漸變大.破片侵徹過程中首先壓縮芯層泡沫鋁材料，壓縮產(chǎn)生的沖擊波載荷在芯層泡沫鋁中傳播，帶動(dòng)泡沫鋁鑿塊運(yùn)動(dòng)，見圖5c)～e).距離較近的破片形成的沖擊波會(huì)相互作用，促進(jìn)泡沫鋁鑿塊的連接，并最終形成片狀剝離.

爆炸沖擊波與高速破片聯(lián)合作用下泡沫鋁夾芯板芯層存在局部穿孔、芯層剪切、芯層與后面板界面失效等破壞模式.

圖5 芯層的破壞模式

2.2.3背板的變形及失效

圖6為背板變形和失效模式.從整體看，當(dāng)藥量較小，距離較遠(yuǎn)時(shí)，破片群耦合作用效果并不明顯，背板有多個(gè)局部穿甲孔，但穿孔并未發(fā)生連接.隨著裝藥量變大，爆炸距離越近，背板中心處呈現(xiàn)較大花瓣?duì)钇瓶冢译S著爆炸距離的增大，破口面積逐漸變大.

圖6 背板的變形和失效模式

從局部看：背板局部穿孔直徑明顯大于面板，當(dāng)破片穿孔靠近夾芯板中心區(qū)域時(shí)，破片呈現(xiàn)正穿甲特點(diǎn)；當(dāng)破片穿孔距離中心區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)，呈現(xiàn)明顯的斜穿甲特點(diǎn)；當(dāng)破片穿孔距離較近時(shí)，穿孔與穿孔會(huì)發(fā)生貫穿，形成略大的復(fù)合孔洞.

泡沫鋁夾芯板的背板與面板失效模式有較大差異.面板僅出現(xiàn)局部小穿孔，而背板不僅穿孔直徑明顯變大，且出現(xiàn)了蜂窩狀孔群和背板花瓣開裂兩種不同破壞模式.

2.3 靶板的整體變形

使用精度為0.1 mm的手持式激光掃描儀對爆炸變形后的泡沫夾芯板進(jìn)行整體變形測量，得到面板和背板的變形，并通過后處理軟件切割相應(yīng)的面，得到中心線的變形.工況3～5的面板變形見圖7.由圖7可知，隨著爆炸距離的增大，面板的中點(diǎn)塑性變形明顯變大：當(dāng)破片底部距泡沫鋁夾芯板200 mm時(shí)，面板中點(diǎn)最大變形為3.1 mm；當(dāng)破片底部距泡沫鋁夾芯板100 mm時(shí)，面板中點(diǎn)最大變形為4.9 mm；當(dāng)破片底部距離泡沫鋁夾芯板50 mm時(shí)，面板的中點(diǎn)變形約為10.8 mm.面板的變形與均質(zhì)靶板在爆炸沖擊作用下的變形模式有一定的差異，雖然各工況均為中點(diǎn)處變形最大，但并未非距離中心越近的點(diǎn)，變形越大.說明破片及應(yīng)力波在靶板內(nèi)傳播過程對泡沫鋁夾芯板面板的最終變形有一定的影響.

圖8為不同爆炸當(dāng)量作用下的背板中心線變形.工況4～5中，背板在距離邊緣約100 mm處有凹陷，結(jié)合圖6，分析原因?yàn)樾緦优c背板膠接失效.爆炸距離較遠(yuǎn)的工況3則沒有發(fā)生此類變形.背板中心區(qū)域的整體變形也隨著破片底部距離泡沫鋁夾芯板的距離變小而明顯增大.

圖7 面板的整體變形

圖8 背板的整體變形

3 背板中心花瓣破口的機(jī)理分析

研究表明，利用泡沫鋁屈服平臺(tái)和動(dòng)態(tài)崩潰的原理，泡沫鋁在沖擊作用下碎裂崩潰可以看成局部小型爆炸沖擊，利用這一原理采用泡沫子彈撞擊的方式模擬局部爆炸沖擊作用.利用此原理，破片侵徹面板后壓縮泡沫鋁芯層，會(huì)在泡沫鋁中形成固體沖擊波，產(chǎn)生類似小型爆炸的作用.當(dāng)破片距離較近時(shí)，泡沫鋁芯層中的沖擊波會(huì)彼此疊加，形成類似較大當(dāng)量爆炸作用.此時(shí)，背板在沖量作用下發(fā)生中心拉伸撕裂、翻轉(zhuǎn)并最終形成類似接觸爆炸產(chǎn)生的花瓣破口.過程示意圖見圖9，可以簡單分為四個(gè)步驟：①步驟1，高速破片幾乎同時(shí)撞擊面板，隨后侵徹面板；②步驟2，破片與面板充塞塊共同在泡沫鋁芯層中減速運(yùn)動(dòng)，并壓縮泡沫鋁，不同破片分別各自壓縮泡沫鋁形成固體沖擊波；③步驟3，不同破片形成的沖擊波在泡沫鋁芯層中匯聚，并作用于背板，背板在沖擊波作用下發(fā)生塑性變形；④步驟4，背板在沖擊波作用下發(fā)生撕裂，與芯層發(fā)生脫膠，背板向后翻轉(zhuǎn)形成花瓣?duì)钇瓶?，破片與充塞塊組合體飛出泡沫鋁夾芯板.

泡沫鋁夾芯板在爆炸沖擊波與破片群作用下，尤其當(dāng)破片群較為密集時(shí)，背板容易發(fā)生拉伸破壞并最終形成花瓣?duì)钇瓶?說明泡沫鋁夾芯板作為防護(hù)材料，背板宜選用抗拉性能較好的材料，如芳綸纖維等纖維增強(qiáng)復(fù)合材料.

圖9 背板中心花瓣形成過程示意圖

4 結(jié) 論

1) 裝藥驅(qū)動(dòng)預(yù)制破片是一種產(chǎn)生爆炸沖擊波和破片群聯(lián)合載荷的有效方法，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)形成有效殺傷.

2) 泡沫鋁夾芯板在爆炸沖擊波與破片群聯(lián)合作用下產(chǎn)生多種破壞模式，其中泡沫鋁夾芯板芯層存在局部穿孔、芯層剪切、芯層與后面板的界面失效等破壞模式，背板蜂窩狀孔群和花瓣開裂等不同模式.

3) 在破片群較為密集的情況下，泡沫夾芯板背板中心易產(chǎn)生類似于局部接觸爆炸作用時(shí)的花瓣開裂，宜選用抗拉性能較好的材料.