第一作者 李志斌 男，博士，講師，1985 年生

郵箱：lizhibin@mail.ustc.edu.cn

泡沫鋁夾芯板壓入和侵徹性能的實驗研究

李志斌, 盧芳云

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，長沙410073)

摘要：利用MTS和落錘試驗機研究了由復(fù)合材料面板和閉孔泡沫鋁芯層組成的夾芯板結(jié)構(gòu)在壓入和侵徹時的變形和失效行為，并通過引入無量綱參數(shù)——能量吸收效率因子，探討了一些關(guān)鍵參數(shù)對夾芯板壓入和侵徹性能以及能量吸收性能的影響，如沖擊能量、面板厚度、芯層厚度及相對密度、壓頭/錘頭形狀和邊界條件等。結(jié)果表明夾芯板的破壞主要集中在壓頭作用的局部區(qū)域內(nèi)。夾芯板的能量吸收效率對其結(jié)構(gòu)參數(shù)比較敏感，增加上層面板厚度、芯層厚度或芯層相對密度能夠有效地提高夾芯板結(jié)構(gòu)的能量吸收能力以及抵抗壓入和侵徹的能力，而下層面板厚度的對夾心板抗侵徹性能的影響不明顯。不同的壓頭/錘頭形狀和邊界條件對泡沫鋁夾芯板的壓入和侵徹響應(yīng)以及能量吸收性能影響明顯。

關(guān)鍵詞：泡沫鋁；夾芯板；壓入；侵徹；能量吸收效率因子

基金項目：國家自然科學(xué)基金(90916026, 11132012)

收稿日期：2013-12-05修改稿收到日期：2014-02-25

中圖分類號:TB124文獻標(biāo)志碼： A

Tests for indentation and perforation of sandwich panels with aluminium foam core

LIZhi-bin,LUFang-yun(College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract:Indentation and perforation behaviors of sandwich panels with composite face sheets and closed-cell aluminium foam core were investigated experimentally. Quasi-static and low-velocity impact tests were conducted by using a MTS system and a drop hammer tester, respectively. Experimental results showed that the deformation and failure of the sandwich panels are roughly confined to the area underneath the indenter and the material outside the contact area seems to be intact. Effects of some key parameters, such as, impact energy, face sheet and core thicknesses,core density, indenter nose shape, and boundary conditions on the overall energy absorption behavior of the panels were studied and compared with an energy-absorbing efficiency factor. It was showed that the energy-absorbing efficiency of the panels is sensitive to its structural parameters; increasing the upper face sheet thickness and the thickness of core or the relative mass density of core can effectively improve the energy-absorbing ability and the ability against indentation and perforation of the panels; the effects of the lower face sheet thickness on the ability against perforation of the panels is not obvious; different shapes of indenter and hammer and boundary conditions have significant effects on the responses of identation and perforation and the energy-absorbing performance of the panels.

Key words: aluminum foam; sandwich panel; indentation; perforation; energy-absorbing efficiency factor

泡沫鋁夾芯板具有高比剛度、高比強度等優(yōu)越的力學(xué)性能，因而得到了研究者廣泛的重視。為減輕飛行器的重量，同時保證結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求，夾芯結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域中得到了越來越多的應(yīng)用[1-2]。已有的研究表明，使用復(fù)合材料替代鋁合金作為夾芯板的面板，可以有效地降低結(jié)構(gòu)的重量。然而，復(fù)合材料面板的夾芯板抗沖擊損傷能力較差，可能的損傷致使結(jié)構(gòu)的強度和可靠性受到嚴(yán)重影響[3]。局部沖擊載荷會導(dǎo)致夾芯板中局部損傷的產(chǎn)生，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力的大幅下降[4]。因此，研究復(fù)合材料面板泡沫鋁芯層的夾芯板在沖擊下的力學(xué)行為顯得非常重要。

近年來，許多研究者對泡沫鋁夾芯板結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進行了大量研究，其中大部分集中于復(fù)合材料夾芯板的高速沖擊響應(yīng)[5-8], 對其準(zhǔn)靜態(tài)和低速沖擊行為的研究尚不充分[9-10]。另一方面，準(zhǔn)靜態(tài)實驗常被用于模擬夾芯結(jié)構(gòu)的低速沖擊損傷，并被證實與低速沖擊實驗具有一定的等效性[11-12]。通過MTS和落錘試驗機對復(fù)合材料面板，閉孔泡沫鋁芯層的夾芯板進行了一系列的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓入和侵徹實驗，研究了泡沫鋁夾芯板的變形和失效模式，并詳細(xì)分析討論了沖擊能量、上下面板厚度、芯層厚度及相對密度、錘頭形狀以及邊界條件等對夾芯板的準(zhǔn)靜態(tài)和低速沖擊響應(yīng)的影響。

1實驗研究

1.1材料性能

實驗中采用玻璃纖維層合板 (BQ-L-Y-3K-1)作為夾芯板的面板。層合板采用織物方式鋪層(0°/90°/0°)，基體材料為熱固型酚醛樹脂，夾層材料為纖維直徑為10 μm左右的E型玻璃纖維布(7628)。面板材料密度為2.31 g/cm3，纖維體積比為0.60。層合板表面鋪有一層銀色斜紋玻纖布，因此表面上看到的圖紋并不是層合板內(nèi)真實的經(jīng)緯線排布。實驗中用到三種不同厚度的面板，分別為1.2 mm、1.5 mm和2.0 mm。對復(fù)合材料面板在0°和90°方向分別進行單軸拉伸試驗以獲取面板材料拉伸力學(xué)性能。材料性能試驗結(jié)果顯示，對0°和90°方向截取的面板材料都在應(yīng)變約為1.35%時出現(xiàn)橫向脆斷，極限強度330 MPa，且試件厚度對材料性能影響不大。

實驗中使用的芯層材料為閉孔泡沫鋁，其平均孔徑約為3～5 mm，使用5種相對密度ρ(0.06, 0.085, 0.125,0.20和0.25) 以及4種芯層厚度Hc(10 mm，15 mm，20 mm和30 mm)以考察芯層密度和厚度對夾芯板壓入和侵徹性能的影響。壓入試驗中下層面板厚度固定為Hlf= 2.5 mm，不同密度的泡沫鋁的材料力學(xué)性能見表1。實驗中使用SA-102抗沖擊膠將上下面板和泡沫鋁芯層粘接構(gòu)成150 mm×150 mm的夾芯方板試件。為保證實驗數(shù)據(jù)的有效性，每種工況重復(fù)三次試驗。

表1　泡沫鋁材料力學(xué)性能

1.2實驗裝置

準(zhǔn)靜態(tài)和低速沖擊試驗分別在MTS和落錘試驗機上進行。侵徹試驗中采用圖1所示的裝置固定夾芯板，通過兩塊鋼板和8個螺栓將試件固定夾持以實現(xiàn)固支邊界條件。

壓入試驗中試件直接放置在剛性支撐上。夾具尺寸150 mm×150 mm，中心開孔90 mm×90 mm。為了比較夾芯板在不同子彈下的抗侵徹性能，實驗使用了三種形狀的壓頭/錘頭： 球頭壓頭(Spherical-Ended Punch, SEP)，錐頭壓頭(Conical-Nosed Punch, CNP)和平頭壓頭(Flat-Ended Punch, FEP)。三種壓頭的具體尺寸見圖2。

圖1　試件夾具 Fig.1 Photographs of the specimen clamp

圖2　壓頭幾何形狀和尺寸示意圖 Fig.2 Schematic of geometry and dimensions of the indenters

1.3實驗方案

為了綜合考察泡沫鋁夾芯板的侵徹性能，實驗共分為4組。第1組研究不同沖擊能量(不同加載質(zhì)量和不同沖擊速度)對夾芯板(上層面板厚度Huf= 2.0 mm; 芯層厚度Hc=15 mm; 下層面板厚度Hlf= 1.5 mm; 芯層相對密度ρ= 0.085; CNP)抗侵徹性能的影響；第2組比較了不同上下面板厚度(1.2 mm, 1.5 mm和2.0 mm)對夾芯板(Hc=15 mm;ρ= 0.085; CNP)抗侵徹性能的影響；第3組研究了不同芯層厚度(Hc= 10 mm, 15 mm, 20 mm和30 mm)和芯層相對密度(ρ= 0.06, 0.085, 0.125, 0.20和0.25)對夾芯板(Huf=2.0mm;Hlf=1.5 mm; CNP)抗侵徹性能的影響；第4組研究了不同壓頭形狀對夾芯板(Huf=2.0 mm,Hc=15 mm,Hlf=1.2 mm,ρ= 0.085)抗侵徹性能的影響。

為了研究泡沫鋁夾芯板的壓入性能，實驗共分為3組：(1) 不同面板厚度(1.2 mm, 1.5 mm和2.0 mm)和芯層厚度(10 mm,15 mm和20 mm)對夾芯板(Hlf=2.5 mm;ρ= 0.25; SEP)壓入性能的影響；(2) 不同泡沫鋁芯層相對密度(ρ= 0.125,0.20和0.25)對夾芯板(Huf= 1.5 mm;Hlf=2.5 mm;Hc=15 mm, SEP)壓入性能的影響；(3) 壓頭形狀對夾芯板(Huf= 1.2 mm;Hlf= 2.5 mm;ρ= 23.5%)壓入性能的影響。

最后探討了不同邊界條件(簡支，周邊固支以及底面剛性支撐)對夾芯板的性能的影響。

2實驗結(jié)果分析

2.1變形和破壞模式

壓入和侵徹過程中，夾芯板的變形和破壞主要集中在壓頭作用局部區(qū)域，此區(qū)域外夾芯板幾乎沒有變形。

在夾芯板的壓入過程中，壓頭作用區(qū)域的面板發(fā)生局部脆性斷裂或徑向開裂，同時泡沫鋁芯層壓縮(見圖3)。實驗結(jié)果顯示，大部分夾芯板在球頭壓入時上面板破壞集中在壓頭周邊(見圖3(a))。當(dāng)夾芯板的上面板較厚時，夾芯板會出現(xiàn)圖3(b)中mode-Ⅱ破壞模式，除了壓頭周邊的破壞變形之外，面板在壓頭作用區(qū)域出現(xiàn)“十”字形的斷裂破壞。隨著壓頭的壓入，壓頭下方的泡沫鋁被壓潰繼而壓實，通過泡沫鋁材料的塑性變形可吸收大量能量，以保護夾芯板后部結(jié)構(gòu)安全。壓入?yún)^(qū)域邊緣的泡沫鋁材料被撕裂。遠(yuǎn)離壓入?yún)^(qū)域的泡沫鋁材料保持原始狀態(tài)。圖4給出了侵徹過程中泡沫鋁夾芯板上下面板和泡沫鋁芯層的變形和破壞模式，其中上面板破壞模式與壓入實驗結(jié)果類似。在平頭和球形沖頭作用下，下面板的變形較大且沿著夾具邊緣斷裂(圖4(e)和圖4(f))。由于沖頭的穿透以及上層面板的破壞，芯層泡沫鋁材料被壓潰，壓潰范圍與面板材料破壞范圍相當(dāng)，并與沖頭形狀有關(guān)。

圖3　夾芯板壓入變形和破壞圖 Fig.3 Photographs of upper face-sheet and foam core damage of indented sandwich panels

圖4　夾芯板侵徹變形和破壞圖 Fig.4 Photographs of face sheet and foam core damage of perforated sandwich panels

2.2能量吸收效率因子

能量吸收效率因子ψ定義為結(jié)構(gòu)單元所吸收的彈性和塑性應(yīng)變能量與相同體積的材料在拉伸試驗中所能吸收的最大能量的比值[13]，可用來評估新型材料和新型結(jié)構(gòu)的效率。這一參數(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用于多種材料和結(jié)構(gòu)，如泡沫填充管結(jié)構(gòu)[14]。能量吸收效率因子是一個無量綱參數(shù)，對于本研究的夾芯板結(jié)構(gòu)，可以寫成如下形式：

(1)

式中:F為載荷，s為壓頭位移，δ為壓頭最大位移，ε為單軸拉伸應(yīng)變，εr為面板材料的最大斷裂應(yīng)變，σf為面板材料的拉伸強度，σc為泡沫鋁芯層的平臺應(yīng)力，Vc為泡沫鋁芯層體積，Vuf和Vlf分別為上下面板的體積。假定泡沫鋁的最大應(yīng)變與面板材料的單軸斷裂應(yīng)變相等。

3結(jié)果討論

3.1沖擊能量的影響

低速沖擊實驗中，考察了不同沖擊質(zhì)量(3 kg, 6 kg, 12 kg,18 kg和24 kg)和不同沖擊速度(1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s和5 m/s)對夾芯板沖擊響應(yīng)的影響。在本研究的速度范圍內(nèi)，不同沖擊質(zhì)量和不同沖擊速度對夾芯板的沖擊響應(yīng)沒有本質(zhì)區(qū)別，都可歸結(jié)為沖擊能量不同對夾芯板造成不同程度的破壞。

圖5給出了不同沖擊能量對夾芯板能量吸收效率的影響。最大能量吸收Ef和Em通過載荷位移曲線積分得到，沖擊能量Ei通過沖擊質(zhì)量和落高得到。由圖5可知，夾芯板的能量吸收及能量吸收效率隨著沖擊能量的增大而增大。當(dāng)沖擊能量足夠大時，夾芯板的能量吸收趨近于一個恒值，這意味著夾芯板已經(jīng)完全穿透，不能吸收更多能量。由于夾芯板面板的脆性斷裂，夾芯板破壞集中在錘頭下方的局部區(qū)域內(nèi)，遠(yuǎn)離此區(qū)域的材料未參與能量吸收，所以夾芯板的能量吸收效率ψ<1，甚至ψ<0.5。

圖5　沖擊能量的影響 Fig.5 Effects of impact energy

3.2面板厚度、芯層厚度及相對密度的影響

隨著上層面板厚度的增加，夾芯板壓入和侵徹性能和能量吸收明顯提高。當(dāng)上層面板厚度較大時(如1.5 mm)，增大上層面板厚度夾芯板的能量吸收效率不再提升，此時面板厚度增加帶來的質(zhì)量增大已經(jīng)抵消了能量吸收的增加(見圖6)。而在夾芯板侵徹過程中，增大下面板的厚度對夾芯板的能量吸收影響不明顯(見圖6(b))。但是，由于隨面板厚度的增加夾芯板整體體積和質(zhì)量也會變大，導(dǎo)致能量吸收效率降低。所以，必須進行優(yōu)化設(shè)計以選擇最優(yōu)的面板厚度。

隨著芯層厚度的增加，夾芯板壓入和侵徹過程中吸收的總能量以及能量吸收效率得到了顯著提高(見圖7(a))。這是因為夾芯板芯層厚度越大，壓入位移就越大，芯層的壓縮變形起主導(dǎo)作用，吸收的能量也就越多。

隨著夾芯板芯層相對密度增大，壓入和侵徹的載荷值就越大，夾芯板吸收的總能量以及吸收能量效率也逐漸增大(見圖7(b))。這時，夾芯板的侵徹變形從局部失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)檎w的非彈性大變形。由于泡沫鋁材料的高能量吸收效率，增大泡沫鋁芯層的厚度和相對密度都能有效地提升夾芯板的能量吸收效率。因此，夾芯板抗侵徹性能明顯提高。

圖6　面板厚度的影響 Fig.6 Effects of face-sheet thickness

圖7　芯層參數(shù)的影響 Fig.7 Effects of foam core parameters

3.3壓頭形狀和邊界條件的影響

在固支邊界條件下，夾芯板對錐形壓頭的抗侵徹能力最差，對球頭彈的抗侵徹能力次之，對平頭彈的抗侵徹能力最優(yōu)。相同形狀壓頭壓入作用時，剛性面支撐(Rigid Supported, RS)的夾芯板抗侵徹能力最好，簡支(Simply Supported, SS)夾芯板次之，周邊固支(Fully Fixed, FF)夾芯板抗侵徹能力最差(見圖8)。

圖8　壓頭形狀和邊界條件的影響 Fig.8 Effects of indenter nose shape and boundary conditions

4結(jié)論

利用MTS和落錘試驗機對復(fù)合材料面板和泡沫鋁芯層組成的夾芯板在準(zhǔn)靜態(tài)和低速沖擊下，沖擊能量、上下面板厚度、芯層厚度和相對密度及壓頭形狀等參數(shù)對夾芯結(jié)構(gòu)壓入和侵徹性能的影響進行分析研究。實驗結(jié)果表明：

(1) 泡沫鋁夾芯板具有優(yōu)良的抵抗壓入和侵徹性能，可有效吸收沖擊能量。壓頭壓入和侵徹所導(dǎo)致的變形和破壞主要集中在壓頭作用區(qū)域，在加載區(qū)域外夾芯板幾乎沒有變形。

(2) 夾芯結(jié)構(gòu)增加上層面板厚度、芯層厚度和芯層相對密度，均能有效提升其壓入和侵徹性能。而下層面板對夾芯結(jié)構(gòu)抗侵徹性能影響不明顯。因此，在實際應(yīng)用中，適當(dāng)增大芯層厚度和上層面板厚度可以提升泡沫鋁夾芯板的抗侵徹性能，從而更加有效地保護其中的人員或物體。夾芯板對錐形壓頭的抗侵徹能力最差，對半球頭壓頭的抗侵徹能力次之，對平頭壓頭的抗侵徹能力最優(yōu)。相同形狀壓頭壓入作用時，剛性面支撐的夾芯板抗侵徹能力最好，簡支夾芯板次之，周邊固支夾芯板抗侵徹能力最差。

參 考 文 獻

[1] Zenkert D. An introduction to sandwich construction[M]. Sheffield: Engineering Materials Advisory Services Ltd., 1995.

[2] 龐寶君, 鄭偉, 陳勇. 基于Taylor 實驗及理論分析的泡沫鋁動態(tài)沖擊特性研究 [J]. 振動與沖擊, 2013, 32(12): 154-158.

PANG Bao-jun, ZHENG Wei, CHEN Yong. Dynamic impact behavior of aluminum foam with a taylor impact test and a theoretical analysis[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013,32(12): 154-158.

[3] Abrate S. Impact on composite structures [M]. Cambridge:Cambridge University Press, 1998.

[4] Hazizan M A, Cantwell W J. The low velocity impact response of an aluminium honeycomb sandwich structure [J]. Composites Part B: Engineering, 2003, 34 (8): 679-687.

[5] 鄧?yán)? 王安穩(wěn), 毛柳偉, 等. 方孔蜂窩夾層板在爆炸載荷下的吸能特性 [J]. 振動與沖擊, 2012, 31(17): 186-189.

DENG Lei, WANG An-wen, MAO Liu-wei, et al. Energy absorption characteristics of a square hole honeycomb sandwich plate under blast loading[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012,31(17): 186-189.

[6] Zhao H, Elnasri I, Girard Y. Perforation of aluminium foam core sandwich panels under impact loading-an experimental study[J]. International Journal of Impact Engineering, 2007, 34 (7):1246-1257.

[7] Hou W H, Zhu F, Lu G X,et al. Ballistic impact experiments of metallic sandwich panels with aluminium foam core [J]. International Journal of Impact Engineering, 2010, 37 (10): 1045-1055.

[9] 敬霖, 王志華, 宋延澤, 等. 泡沫金屬子彈撞擊載荷下多孔金屬夾芯板的動態(tài)響應(yīng) [J]. 振動與沖擊, 2011, 30(12):22-27.

JING Lin, WANG Zhi-hua, SONG Yan-ze, et al. Dynamic response of a cellular metallic sandwich panel subjected to metal foam projectile impact [J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(12): 22-27.

[10] Ruan D, Lu G, Wong Y C. Quasi-static indentation tests on aluminium foam sandwich panels [J]. Composite Structures, 2010,92 (9): 2039-2046.

[11] Nettles A T, Douglas M J. A comparison of quasi-static indentation to low velocity Impact [R]. NASA/TP-2000-210481,2000.

[12] Yan L, An X F, Yi X S. Comparison with low-velocity impact and quasi-static indentation testing of foam core sandwich composites[J]. International Journal of Applied Physics and Mathematics, 2012, 2 (1): 58-62.

[13] Jones N. Energy-absorbing effectiveness factor [J]. International Journal of Impact Engineering, 2010, 37(6): 754-765.

[14] Li Z B, Yu J L, Guo L W. Deformation and energy absorption of aluminum foam-filled tubes subjected to oblique loading [J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2012, 54(1): 48-56.