郭 銳, 南博華, 周 昊, 劉榮忠, 朱 榮, 姜 煒

(1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 智能彈藥國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210094； 2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245;3.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院,南京 210094； 4.南京理工大學(xué) 材料工程學(xué)院,南京 210094)

點(diǎn)陣金屬夾層結(jié)構(gòu)抗侵徹實(shí)驗(yàn)研究

郭 銳1, 南博華2, 周 昊1, 劉榮忠1, 朱 榮3, 姜 煒4

(1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 智能彈藥國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210094； 2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245;3.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院,南京 210094； 4.南京理工大學(xué) 材料工程學(xué)院,南京 210094)

通過彈道沖擊實(shí)驗(yàn)方法研究了兩種點(diǎn)陣金屬夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彈丸侵徹能力，結(jié)合失效破壞模式和吸能效率，綜合分析了點(diǎn)陣金屬夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗侵徹機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明：球形彈丸侵徹過程中，由于點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)的塑性大變形和剪切擴(kuò)孔、陶瓷棒和環(huán)氧樹脂的斷裂破壞以及面板的宏觀彎曲變形，使得該型防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彈能力得到了大幅度提高。同樣侵徹速度條件下，Type II型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸收能量較Type I型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)高，但它們的單位面密度吸收能量相差不大。研究結(jié)果可以為輕質(zhì)復(fù)合裝甲的防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)；失效破壞模式；吸收能量；抗侵徹機(jī)理

隨著材料制備及機(jī)械加工技術(shù)的迅速發(fā)展，輕質(zhì)多孔點(diǎn)陣材料因其具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)效率和廣泛的多功能應(yīng)用特性，已受到國(guó)內(nèi)外航空、航天、航海及工業(yè)裝備等諸多領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1-4]。輕質(zhì)多孔點(diǎn)陣材料具有周期性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高空隙率特點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行多功能一體化設(shè)計(jì)。如在高空隙率點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中填充隔熱纖維，實(shí)現(xiàn)隔熱功能[4-5]；利用點(diǎn)陣材料內(nèi)部開孔進(jìn)行對(duì)流換熱以滿足結(jié)構(gòu)溫度控制需求，實(shí)現(xiàn)承載與傳熱功能[6-8]；作為吸能材料抵抗外部爆炸沖擊、彈道侵徹[9-12]；以及吸聲降噪、屏蔽電磁輻射、結(jié)構(gòu)促動(dòng)等[13-18]。

作為多孔材料，夾層結(jié)構(gòu)是非常理想的抗爆炸沖擊、彈道侵徹的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。在沖擊載荷作用下，輕質(zhì)多孔夾層材料一般會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)失穩(wěn)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生巨大的塑性變形并轉(zhuǎn)化為熱能，從而吸收大部分的沖擊能量，對(duì)其防護(hù)的結(jié)構(gòu)形成有效保護(hù)。目前對(duì)于輕質(zhì)多孔夾層材料抗彈道侵徹能力的研究主要集中于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。GOLDSMITH等[19]通過一系列準(zhǔn)靜態(tài)和彈道沖擊實(shí)驗(yàn)研究了鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的變形和破壞機(jī)理，并給出了典型蜂窩夾層板的彈道沖擊極限。NIA等[20]實(shí)驗(yàn)研究了金屬蜂窩的彈道沖擊極限、能量耗散以及破壞區(qū)域，并與解析模型進(jìn)行了對(duì)比。相比較而言，對(duì)于點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的抗彈道侵徹能力的研究尚處于探索階段，僅有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。YUNGWIRTH等[21]首次應(yīng)用試驗(yàn)方法詳細(xì)分析了點(diǎn)陣金屬夾芯板抗球形彈丸侵徹的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，結(jié)果表明點(diǎn)陣金屬夾芯板的抗彈道侵徹能力與同等質(zhì)量的實(shí)心板相當(dāng)。在此基礎(chǔ)上，YUNGWIRTH等[22]將PU1/PU2聚合物、Spectra編織纖維和金屬包裹陶瓷柱添加到點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)中，分別對(duì)3種夾層結(jié)構(gòu)的抗侵徹能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷柱填充聚合物封裝的夾層結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了其抗彈道侵徹能力?；跀?shù)值模擬方法，倪長(zhǎng)也等[23-24]對(duì)空心金字塔點(diǎn)陣、嵌陶瓷柱金字塔點(diǎn)陣和陶瓷柱填充環(huán)氧樹脂封裝金字塔點(diǎn)陣3種點(diǎn)陣金屬夾層結(jié)構(gòu)抗鋼質(zhì)彈丸侵徹的性能進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，量化分析了個(gè)結(jié)構(gòu)組分對(duì)此類超輕結(jié)構(gòu)三明治板的彈道極限和抗侵徹吸能性能的影響規(guī)律。

本文以單層金字塔型點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)作為支撐陶瓷棒的骨架，通過在點(diǎn)陣金屬骨架的空隙中填充陶瓷棒，并利用混雜短切玻璃纖維的環(huán)氧樹脂進(jìn)行注塑密封，最后在其上下表面焊接金屬面板與背板，制成一種輕質(zhì)夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)。為了研究該夾層結(jié)構(gòu)的抗彈丸侵徹能力，我們進(jìn)行了球形彈丸侵徹的彈道槍試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明：球形彈丸侵徹過程中，由于點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)的塑性大變形和剪切擴(kuò)孔、陶瓷棒和環(huán)氧樹脂的斷裂破壞以及面板的宏觀彎曲變形，使得該型防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彈能力得到了大幅度提高。研究結(jié)果可以為輕質(zhì)復(fù)合裝甲的防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 問題描述和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)高空隙率和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種工藝性較好的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)防護(hù)材料。以金字塔型點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)為骨架基材，在其空心部分插入圓柱型陶瓷棒并填充混雜短切玻璃纖維的環(huán)氧樹脂材料，上下面板采用與點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)相同的均質(zhì)金屬板，最終構(gòu)成復(fù)合三明治板結(jié)構(gòu)材料。為了比較陶瓷棒為了評(píng)估該結(jié)構(gòu)的抗彈道侵徹能力，利用球形鋼質(zhì)彈丸進(jìn)行彈道槍侵徹試驗(yàn)，得到彈丸侵徹靶板前后的初始速度和剩余速度，并統(tǒng)計(jì)靶板的毀傷情況。

具體方案如下：球形鋼質(zhì)彈丸垂直侵徹四邊固支矩形復(fù)合三明治板結(jié)構(gòu)，靶板尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)排列為7×7形式，上下面板及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)所用基材均為6061鋁合金，密度2.85 g/cm3，陶瓷棒尺寸為φ6 mm×150 mm，陶瓷材料為常見的A95，密度為3.65 g/cm3，混雜短切玻璃纖維的環(huán)氧樹脂密度為1 200 kg/m3，鋼質(zhì)球形彈丸直徑8 mm，質(zhì)量為2.05 g，侵徹速度范圍為900～1 300 m/s(見圖1)。

圖1 球形彈丸垂直侵徹陶瓷棒填充點(diǎn)陣金屬夾層結(jié)構(gòu)問題描述Fig1.Schematic of pyramidal lattice cored sandwich plate with ceramic column insertions and void-filling hybrid epoxy resin and impacted by a spherical projectile at plate center

2 實(shí)驗(yàn)材料制備

2.1 金字塔型點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)

選擇t=2 mm厚的6061Al合金板材作為基體材料，基于三維點(diǎn)陣嵌鎖工藝結(jié)合硬釬焊技術(shù)制備金字塔型點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)(見圖2)。首先，根據(jù)金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的周期性三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)分離出該點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的基本拼裝單元——格柵，格柵的數(shù)量由點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的尺寸要求決定。通過線切割技術(shù)加工出格柵單元，超聲波清洗后依次將格柵拼裝成金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，在格柵凸頭與凹槽的接頭處涂抹上釬焊膏劑，將拼裝好的金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)置于上下面板之中，放入馬弗爐中進(jìn)行釬焊。釬焊時(shí)，先將馬弗爐升溫至400 ℃并保溫半小時(shí)，迅速把拼裝好的待焊點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)放入爐內(nèi)，并以30 ℃/min加熱至600 ℃，保溫10 min，取出得到成品。

圖=0.059的金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig.2 Photograph of the aluminum alloy pyramid lattice sandwich material with =0.059

2.2 金字塔型點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

圖=0.059的金字塔型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程Fig.3 Quasi-static compression process of the aluminum alloy pyramid lattice sandwich material with =0.059

實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與面板之間的連接好壞對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有著不可忽視的影響。并且， 大多數(shù)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生面板與桿件連接處節(jié)點(diǎn)失

效的情況，桿件與面板的連接強(qiáng)度和失效破壞將直接影響點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的抗壓性能。

2.3 輕質(zhì)夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的制備

根據(jù)填充材料的熱固性和熱塑性特點(diǎn)，以點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)金屬骨架為基，采用一步式真空吸塑注入固化成型工藝技術(shù)，制備尺寸和形狀可控的夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)。步驟如下：①將已拼接好的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與上下面板焊接成型；②在點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)的周期性空隙中依次等距插入圓柱形陶瓷棒；③將其放置與成型模具中，密封后抽真空，向成型模具注入均勻混合好的含短切玻璃纖維的液態(tài)聚合物樹脂及丙酮和固化劑的均勻混合漿料，一步固化成型。上述各步驟都是在常溫和常壓下進(jìn)行的。輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)制備階段示意圖見圖4。

3 彈道沖擊試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在南京理工大學(xué)202實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用φ14.5 mm滑膛彈道槍作為球形彈丸的發(fā)射裝置，采用火藥推進(jìn)方式加速?gòu)椡?，通過調(diào)整適當(dāng)?shù)难b藥量控制彈丸侵徹速度。實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示。球形彈丸出槍口后，在空氣阻力作用下彈丸與彈托分離，彈托碎片被集彈器擋住，彈丸通過集彈器中心小孔飛向靶板。實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)試彈丸侵徹靶板的侵徹速度和剩余速度，由電子測(cè)時(shí)儀測(cè)量彈丸通過靶板前后錫箔靶的時(shí)間，則由錫箔靶間距可計(jì)算出彈丸速度。利用高速錄像拍攝彈丸穿靶前后景象，實(shí)驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)彈丸對(duì)靶板的毀傷程度。

圖4 輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)制備階段示意圖Fig.4 Preparation phase diagram of the lightweight sandwich structure

圖5 等效靶彈道槍試驗(yàn)布置Fig.5 Configuration of the equivalent target ballistic gun test

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)用彈丸為φ8 mm球形彈丸，材料為45號(hào)鋼，質(zhì)量為2 g，加載速度為900～1 500 m/s。為對(duì)比研究不同夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗侵徹能力，設(shè)計(jì)了兩種靶板：Type Ⅰ為無(wú)內(nèi)嵌陶瓷棒夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)，由空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和混雜短切玻璃纖維的樹脂基固封填充材料構(gòu)成；Type Ⅱ?yàn)橛袃?nèi)嵌陶瓷棒夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)，由空心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)陶瓷棒和混雜短切玻璃纖維的樹脂基固封填充材料構(gòu)成。

圖6 兩種夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.6 Two types of sandwich structure

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 失效破壞模式與抗侵徹機(jī)理分析

(1)無(wú)內(nèi)嵌陶瓷棒夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)

圖7為無(wú)內(nèi)嵌陶瓷棒夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彈毀傷破壞形貌。對(duì)一塊靶板進(jìn)行了三發(fā)實(shí)驗(yàn)，侵徹速度分別為380.3 m/s，980 m/s和1 400.2 m/s，其中第2#彈丸穿透靶板后的剩余速度未測(cè)到。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)彈丸速度為380.3 m/s時(shí)，未能有效穿透夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)，靶板背板有較大隆起并出現(xiàn)裂紋；當(dāng)彈丸速度為1 400.2 m/s時(shí)，高速?gòu)椡璐┩笂A層防護(hù)結(jié)構(gòu)后，剩余速度為931.8 m/s，靶板背板產(chǎn)生沖塞剪切破壞，破孔直徑遠(yuǎn)大于球形彈丸直徑，破孔處明顯發(fā)現(xiàn)有已斷裂的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)桿元露出，可以推斷球形彈丸侵徹點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)后，與斷裂的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)桿元及混雜填充材料沖塞共同沖擊背板，導(dǎo)致背板產(chǎn)生帶總體彎曲變形的局部剪切破壞模式。因此，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和混雜填充材料的拉伸斷裂、面板和背板的局部剪切破壞和背板的總體彎曲變形是Type Ⅰ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要失效模式。

圖7 Type Ⅰ夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)抗彈毀傷效果Fig.7 Appearance of the shot hybrid-cored sandwich sample (Type Ⅰ)

(2)有內(nèi)嵌陶瓷棒夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)

圖8為有內(nèi)嵌陶瓷棒夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彈毀傷破壞形貌。對(duì)三塊同樣結(jié)構(gòu)靶板進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，侵徹速度分別為1 190.5 m/s，1 055.4 m/s和906.3 m/s。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，高速?gòu)椡璐┩赣袃?nèi)嵌陶瓷棒夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)后，靶板背板同樣產(chǎn)生明顯的總體彎曲變形及沖塞剪切破壞，但變形區(qū)域較Type Ⅰ更大，并且背板內(nèi)留有沖擊斷裂的陶瓷棒碎片。因此，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和混雜填充材料的拉伸斷裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破壞和背板的總體彎曲變形構(gòu)成Type Ⅱ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要失效模式。

圖8 Type Ⅱ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)抗彈毀傷效果Fig.8 Appearance of the shot hybrid-cored sandwich sample (Type Ⅱ)

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以分析得到點(diǎn)陣金屬夾層結(jié)構(gòu)的抗侵徹機(jī)理，即：在球形彈丸侵徹過程中，由于點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)的塑性大變形和剪切擴(kuò)孔、陶瓷棒和環(huán)氧樹脂的斷裂破壞以及背板的宏觀彎曲變形，使得該型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)可以吸收更多的彈丸動(dòng)能，相比均質(zhì)板和層合板結(jié)構(gòu)，其抗彈能力可以得到大幅度提高。需要指出的是，由于制備工藝所限，金字塔型點(diǎn)陣夾芯的最大承載能力僅有0.65 MPa，與文獻(xiàn)[21-22]相差較大。若改進(jìn)制備工藝方法，進(jìn)一步提高金字塔型點(diǎn)陣夾芯的承載能力，該型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的整體抗彈能力還可以進(jìn)一步增大。

4.2 抗侵徹與吸能效率分析

(1)剩余速度

將彈丸侵徹兩種夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹速度和剩余速度如圖9所示?？梢钥闯觯瑥椡璧氖Ｓ嗨俣入S著侵徹速度的增加而增加，并且可以推斷同樣侵徹速度條件下，Type Ⅱ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的剩余速度較Type Ⅰ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)低。

(2)單位面密度吸收能量

圖9 兩種夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹剩余速度比較Fig.9 Penetration residual velocity of the two sandwich structures

(1)

(2)

可以看出，Type Ⅱ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸收能量和單位面密度吸收能量隨著侵徹速度的增加而增加。圖10(a)可以看出，Type Ⅱ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)在侵徹速度為1 190.5 m/s的吸收能量與Type Ⅰ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)在侵徹速度為1 400.2 m/s的吸收能量相當(dāng)，可以推斷同樣侵徹速度條件下，Type Ⅱ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸收能量較Type Ⅰ型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)高。但是，由圖10(b)可以推斷出，同樣侵徹速度條件下，兩種夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的單位面密度吸收能量相差不大。

圖10 兩種夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸能效率比較Fig.10 Energy absorption efficiency of the two sandwich structures

5 結(jié) 論

本文通過彈道沖擊實(shí)驗(yàn)方法研究了兩種點(diǎn)陣金屬夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彈丸侵徹能力，結(jié)合失效破壞模式和吸能效率，綜合分析了點(diǎn)陣金屬夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗侵徹機(jī)理。主要結(jié)論如下：

(1)球形彈丸侵徹過程中，由于點(diǎn)陣金屬結(jié)構(gòu)的塑性大變形和剪切擴(kuò)孔、陶瓷棒和環(huán)氧樹脂的斷裂破壞以及面板的宏觀彎曲變形，使得該型防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彈能力與同等質(zhì)量的均質(zhì)金屬板相比得到了大幅度提高。

(2)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和混雜填充材料的拉伸斷裂、面板和背板的局部剪切破壞和背板的總體彎曲變形是Type I型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要失效模式；點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和混雜填充材料的拉伸斷裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破壞和背板的總體彎曲變形構(gòu)成Type II型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要失效模式。

(3)同樣侵徹速度條件下，Type II型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸收能量較Type I型夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)高，但它們的單位面密度吸收能量相差不大。

(4)通過選擇高強(qiáng)金屬、陶瓷和纖維材料代替本文實(shí)驗(yàn)樣品中的相應(yīng)材料，并合理優(yōu)化點(diǎn)陣金屬夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)部組分參數(shù)，可以進(jìn)一步提高此類夾層防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗侵徹吸能性能，從而為輕質(zhì)復(fù)合裝甲的防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

[1] GIBSON L J，ASHBY M F. Cellular solids: structure and properties [M]. 2nd ed. Cambridge University Press，1997.

[2] LU Tianjian，ZHANG Qiancheng，JIN feng. Recent progress in the development of lightweight porous materials and structures [J]. Materials China， 2012， 31(1):13-35.

[3] 盧天健，何德坪，陳常青，等. 超輕多孔金屬材料的多功能特性及應(yīng)用[J]. 力學(xué)進(jìn)展， 2006，36(4):517-535. LU Tianjian，HE Deping，CHEN Changqing，et al. The multi-functionality of ultra-light porous materials and their applications [J]. Advances in Mechanics，2006，36(4):517-535.

[4] 方岱寧，張一慧，崔曉東. 輕質(zhì)點(diǎn)陣材料力學(xué)與多功能設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[5] 范華林，楊衛(wèi). 輕質(zhì)高強(qiáng)點(diǎn)陣材料及其力學(xué)性能研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展，2007，37(1)：99-112. FAN Hualin，YANG Wei. Development of lattice materials with high specific stiffness and strength [J]. Advances in Mechanics，2007，37(1)：99-112.

[6] LU T J, VALDEVIT L, EVANS A G. Active cooling by metallic sandwich structures with periodic cores [J]. Progress in Materials Science， 2005，50：789-815.

[7] KIM T, HODSON H P, LU T J. Fluid-flow and endwall heat-transfer characteristics of an ultralight lattice-frame material [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2004， 47：1129-1140.

[8] LIU T, DENG Z C, LU T J. Bi-functional optimization of actively cooled, pressurized hollow sandwich cylinders with prismatic cores [J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2007，55: 2565-2602.

[9] XUE Z, HUTCHINSON J W. Preliminary assessment of sandwich plates subject to blast loads [J]. Int J Mech Sci， 2003，45: 687-705.

[10] RADFORD D D, FLECK N A, DESHPANDE V S. The response of clamped sandwich beams subjected to shock loading [J]. International Journal of Impact Engineering，2006，32: 968-987.

[11] DHARMASENA K P, QUEHEILLALT D T, WADLEY H N G, et al. Dynamic compression of metallic sandwich structures during planar impulsive loading in water [J]. European Journal of Mechanics A/Solids， 2010，29: 56-67.

[12] RIMOLI J J, TALAMINI B, WETZEL J J, et al. Wet-sand impulse loading of metallic plates and corrugated core sandwich panels [J]. International Journal of Impact Engineering， 2011，38: 837-848.

[13] 辛峰先，張錢城，盧天健. 輕質(zhì)夾層材料的制備和振動(dòng)聲學(xué)性能[J].力學(xué)進(jìn)展， 2010，40(4):375-399. XIN Fengxian，ZHANG Qiancheng，LU Tianjian. Advances in lightweight sandwich materials and structures：manufacture and vibroacoustic performances [J]. Advances in Mechanics，2010，40(4):375-399.

[14] 辛峰先，盧天健. 輕質(zhì)金屬三明治板的隔聲性能研究[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào)， 2008, 33(4)：340-347. XIN Fengxian， LU Tianjian. Sound transmission through lightweight metallic sandwich panel with corrugated core [J]. Acta Acustica， 2008, 33(4)：340-347.

[15] FAN H L, YANG W, CHAO Z M. Microwave absorbing composite lattice grids [J]. Compos Sci Technol，2007， 67: 3472-3479.

[16] XIN F X, LU T J, CHEN C Q. Dynamic response and acoustic radiation of double-leaf metallic panel partition under sound excitation [J]. Computational Materials Science， 2009， 46(3): 728-732.

[17] LU T J, EVANS A G. Design of a high authority flexural actuator using an electro-strictive polymer [J]. Sensor and Actuators A ，2002，99：290-296.

[18] WANG Bin, GUO Haicheng, FANG Daining. A protocol for characterizing the performance of light-weight truss-core actuators [J]. Computers and Mathematics with Applications，2009，58: 2365-2372.

[19] GOLDSMITH W, LOUIE D. Axial perforation of aluminum honeycombs by projectiles [J]. Int J Solids Struct， 1995，32: 1017-1046.

[20] NIA A A, RAZAVI S B, MAJZOOBI G H. Ballistic limit determination of aluminum honeycombs—experimental study [J]. Mat Sci Eng A， 2008，488: 273-280.

[21] YUNGWIRTH C J, RADFORD D D, ARONSON M, et al. Experiment assessment of the ballistic response of composite pyramidal lattice truss structures [J]. Composites B，2008，39：556-569.

[22] YUNGWIRTH C J, WADLEY H N G, O’CONNOR J H, et al. Impact response of sandwich plates with a pyramidal lattice core [J]. Int J Impact Eng，2008，35：920-936.

[23] 倪長(zhǎng)也，金峰，盧天健，等. 3種點(diǎn)陣金屬三明治板的抗侵徹性能模擬分析[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2010, 42(6): 1125-1137. NI Changye, JIN Feng, LU Tianjian, et al. Penetration and perforation performance of three pyramidal lattice-cored sandwich plates：numerical simulation [J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2010, 42(6): 1125-1137.

[24] NI C Y, LI Y C, XIN F X, et al. Ballistic resistance of hybrid-cored sandwich plates: numerical and experimental assessment[J]. Composites A， 2013， 46：69-79.

Experiment assessment of the ballistic response of a hybrid-cored sandwich structure

GUO Rui1, NAN Bohua2, ZHOU Hao1, LIU Rongzhong1, ZHU Rong3, JIANG Wei4

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University Science & Technology, Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing 210094, China; 2. Shanghai Spaceflight Manufacture (Group) Co., Ltd., Shanghai 200245, China;3. Department of Physics, Nanjing University Science & Technology, Nanjing 210094, China;4. Department of Chemical Engineering, Nanjing University Science & Technology, Nanjing 210094, China)

The ballistic performance of a hybrid-cored sandwich structure was studied by using ballistic penetration test. Considering the failure modes and efficiency of absorbed energy, the anti-projectile mechanism of the hybrid-cored sandwich structure was synthetically analyzed. The experimental results indicate that anti-projectile capability is substantially enhanced in a high-amplitude extent. During the penetration of the spherical projectile, the kinetic energy of the projectile is absorbed mainly through the large plastic deformation and shearing expansion of the pyramidal lattice structure, the fracture failure of ceramics rods and hybrid epoxy, and the macroscopically bending deformation of the faces. The results can offer references for the protection design of lightweight composite armor.

lattice sandwich structure; failure mode; absorbed energy; anti-projectile mechanism

上海航天SAST基金(SAST2013033)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(30915118821)；國(guó)家自然科學(xué)基金-青年科學(xué)項(xiàng)目(11102088)

2015-06-04 修改稿收到日期：2015-12-11

郭銳 男，博士，副教授，1980年2月生 E-mail:Guoruid@163.com

TB331

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.24.008