方志威，侯海量，張元豪，陳長海，胡年明

(海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

中高速彈體侵徹下泡沫鋁夾芯結構抗侵徹性能實驗研究

方志威，侯海量，張元豪，陳長海，胡年明

(海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

為研究泡沫鋁夾芯結構各組成部分在中、高速彈體侵徹下的抗侵徹性能及破壞機理，分別開展泡沫鋁芯材（I）、前面板與芯材（II）、芯材與后面板（III）以及泡沫鋁夾芯結構（IV）4 種靶板在中、高速彈體侵徹下的彈道沖擊試驗。分析夾芯結構的破壞模式、侵徹過程和抗彈性能。結果表明：在中、高速彈體侵徹下，泡沫鋁芯材發(fā)生了胞壁的絕熱剪切和撕裂破壞，存在前面板的泡沫鋁芯材還發(fā)生了胞壁壓實坍塌；前面板發(fā)生絕熱剪切破壞，彈速較低時，彈孔周圍將產生明顯的碟形彎曲變形，板厚較大、彈速較高時彈孔邊緣存在開坑唇邊；后面板發(fā)生了局部碟形彎曲-貫穿破壞，板厚較小時，后面板還產生了花瓣開裂。泡沫鋁芯材吸能較小，泡沫鋁和面板組成的夾芯結構吸能明顯提高。面板的存在提高了靶板的抗彈性能，前面板對靶板的抗彈性能影響大于后面板的影響。同一種形式的靶板在高速彈體侵徹下的抗彈性能明顯優(yōu)于中速彈體侵徹下的抗彈性能。

泡沫鋁；夾芯結構；彈道實驗；抗侵徹性能

0 引 言

泡沫鋁材料是一種集物理功能與結構一體化的新型工程材料。由于具有獨特的微觀結構，泡沫鋁材料在壓縮的過程中會出現(xiàn)應力平臺期（應力基本保持不變，而應變變化很大），因此可以承受較大的塑性變形。泡沫鋁材料經(jīng)常作為吸能構件而廣泛地應用于可能遭受彈體侵徹和爆炸沖擊的防護工程領域[1–3]。但是泡沫鋁材料因其強度低，在很多其他應用領域中受到限制。金屬材料強度高但吸能效能相對較低，因此泡沫鋁材料經(jīng)常作為芯層材料和金屬材料組成夾芯結構。這種夾芯結構具有高比強度、高比剛度和優(yōu)良的沖擊波散射性能，可以在充分發(fā)揮泡沫鋁材料優(yōu)點的同時解決其強度低的問題[4–5]。

目前對泡沫鋁夾芯結構的研究主要集中在準靜態(tài)載荷、低速沖擊和爆炸載荷作用下的力學行為、破壞模式和吸能特性。Guo-yin Zu等[6]通過三點彎曲方法研究了鋼板和泡沫鋁組成夾芯板的靜態(tài)力學性能，探討了不同厚度的面板和泡沫鋁芯層對夾芯板變形破壞模式的影響，研究表明增加面板和芯層的厚度能夠提高夾芯板的抗彎曲性能。夾芯板失效破壞模式包括面板塌陷，面板與芯層脫粘以及芯層剪切壓實。Wang等[7]設計了鋁板、玻纖和泡沫鋁組成的夾芯板，研究了夾芯板的靜態(tài)力學性能并對夾芯板面板和芯層進行優(yōu)化，指出玻纖的存在提高了夾芯板的綜合力學性能并得到了力學性能最佳時夾芯板的面板和芯層的參數(shù)。S.L等[8]則研究了環(huán)氧樹脂膠和泡沫鋁組成的夾芯板在準靜態(tài)載荷作用下的力學性能和能量吸收效能并探討了環(huán)氧樹脂膠厚度的影響，發(fā)現(xiàn)夾芯板的屈服極限和吸能性能隨著環(huán)氧樹脂膠厚度增加而增加。諶河水等[9]則通過SHPB 實驗發(fā)現(xiàn)了高應變率撞擊下泡沫鋁夾芯板的動態(tài)力學性能與泡沫鋁動態(tài)力學性能相似，泡沫鋁夾芯板在高應變率下的應力-應變曲線亦存在應力平臺期，夾芯板比泡沫鋁具有更高的吸能特性。李志斌等[10]研究了復合材料和泡沫鋁組成的夾芯板在靜態(tài)載荷和低速沖擊下的力學性能，發(fā)現(xiàn)了夾芯板的前面板厚度變化對夾芯板的力學性能的影響大于后面板厚度變化產生的影響。Kapil等[11]研究了 3 種不同材料的面板和泡沫鋁組成的夾芯板在半球形沖頭沖擊下的力學性能和吸能效能，指出夾芯板的吸能效能可以隨著泡沫鋁厚度的增加而增加，面板的存在不僅提高了泡沫鋁的吸能性能還改變了泡沫鋁的變形破壞形式。祖國胤等[12]利用落錘沖擊實驗機對加工方式不同的 2 種泡沫鋁夾芯板進行了低速沖擊實驗研究，結果表明隨著加載沖量的增加，夾芯板吸收能量增加。Vaidya 等[13]研究了多種以高聚物為面板的泡沫鋁夾芯板的沖擊響應，得出了夾芯板在中、低速沖擊下性能最佳時面板與芯層的參數(shù)。牛衛(wèi)晶[14]研究了泡沫鋁夾芯板在 3 種不同形式彈頭侵徹下的動態(tài)力學性能和變形破壞模式，分析了面板與芯層厚度及侵徹速度對夾芯板抗侵徹性能的影響，指出侵徹速度越高，夾芯板抗彈性能越好；增加芯層厚度或面板厚度均能有效提高夾芯板的抗侵徹性能。宋延澤等[15]開展了泡沫子彈撞擊泡沫鋁夾芯板來研究了夾芯板在爆炸載荷作用下的動態(tài)響應，探討了面板、芯材厚度與材料以及子彈沖量的影響，指出了子彈撞擊沖量越大，夾芯板吸能效能越好。鐘云嶺等[16]運用一維波理論分析了爆炸產生的沖擊波作用泡沫鋁夾芯結構時的衰減特性和耗能機制，研究了夾芯結構各部分對衰減沖擊波的影響。楊飛等[17]利用通用有限元軟件 LS-DYNA 對泡沫鋁夾芯板的抗侵徹性能進行數(shù)值模擬，研究了不同形狀的彈體侵徹夾芯板的彈道極限速度和夾芯板各組成部分的耗能機制。韓守紅等[18]對泡沫鋁夾層結構在爆炸載荷作用下的動力響應進行數(shù)值模擬并對夾層結構進行優(yōu)化，得出了夾芯結構迎爆面板剛度小與背爆面板剛度大組合形式抗爆性能最優(yōu)。

上述研究表明在準靜態(tài)載荷和中、低速（沖擊速度小于泡沫鋁材料聲速）沖擊下，泡沫鋁材料具有優(yōu)良的緩沖吸能性能。根據(jù)沖擊動力學理論，當彈速高于靶板聲速時，彈體撞擊靶板過程中將產生沖擊波，彈體前方靶板處在未受擾動狀態(tài)，侵徹阻抗大大增加。但是目前中、高速彈體侵徹下泡沫鋁材料及其夾芯結構的抗彈性能與破壞機理研究很少。本文通過實驗研究泡沫鋁夾芯結構在中、高速彈體侵徹下的破壞模式、侵徹過程及抗彈性能，分析侵徹速度，泡沫鋁夾芯結構各部分在抗侵徹過程中的效能。

1 彈道實驗

1.1 實驗設計

彈道實驗的發(fā)射裝置采用 14.5 mm 口徑的滑膛槍，采用火藥推進發(fā)射彈體。試驗中采用激光幕靶測速系統(tǒng)測量彈體的初始速度及侵徹靶板后的剩余速度，實驗裝置示意圖如圖 1 所示。

試驗彈體為 7.5 mm 的立方體，質量為 3.3 g，材料為 45#鋼。夾芯結構的面板材料為 Q235 鋼，尺寸為400 mm × 400 mm，厚度為 1.2 mm。芯層材料為閉孔泡沫鋁，尺寸為 200 mm × 200 mm × 20 mm。面板與芯層之間采用環(huán)氧樹脂膠粘接，粘接后經(jīng)過 24 h 固化。前后面板、彈體及泡沫鋁材料力學性能分別如表 1和表2 所示。為了研究泡沫鋁夾芯結構各組成部分的抗彈效能，開展了泡沫鋁芯材（I）、前面板與芯材（II）、芯材與后面板（III）以及泡沫鋁夾芯結構（IV）4 種靶板（見圖 2）在低于芯材聲速（650 m/s）和高于芯材聲速（1 300 m/s）彈道沖擊實驗。

表1 鋼的力學性能Tab.1 Mechanical properties of steel

表2 泡沫鋁力學性能Tab.2 Mechanical properties of aluminum foam

1.2 實驗結果

表 3 給出了彈體侵徹 4 種形式的靶板在試驗中所測到的初速度和剩余速度。

2 實驗結果分析

2.1 破壞模式分析

試驗 1 和試驗 5 中的泡沫鋁破壞形貌分別如圖 3（a）～圖 3（d）所示。泡沫鋁材料輕質多孔，強度低，在中、高速彈體侵徹下，破壞區(qū)域集中在彈著點附近，其他區(qū)域幾乎沒有發(fā)生變形和破壞。迎彈面均為胞壁絕熱剪切破壞，彈孔形狀近似呈正方形，表明彈體在飛行過程中沒有發(fā)生偏轉。彈速大于材料應力波速時，彈孔形狀與彈丸截面幾乎一致，其原因是胞壁材料在橫向應力波離開彈體前已發(fā)生絕熱剪切破壞。背彈面由于反射拉伸波的作用，胞壁發(fā)生撕裂破壞，破口呈喇叭狀，孔徑略大于迎彈面；彈速越低，撕裂破壞范圍越大，彈速大于應力波速時，由于應力波未能離開彈靶接觸面，撕裂破壞范圍很小。

試驗 2 中泡沫鋁芯材迎彈面彈孔附近有明顯的壓實坍塌破壞現(xiàn)象（見圖 3（e）），表明彈體侵徹過程中前面板與泡沫芯材存在擠壓作用；泡沫鋁芯材背彈面破壞形式與試驗 1 相似。試驗 3 中泡沫鋁芯材迎彈面破壞形貌與試驗 1 相似，背彈面撕裂破壞范圍較試驗1有所增大，彈孔附近也有明顯的壓實坍塌破壞（見圖 3（f））。由圖 3 可知，前后面板的存在改變了泡沫鋁芯材的變形破壞模式。

前面板在彈體侵徹下典型破壞形貌如圖 4 所示。由圖可知，在中高速彈體侵徹下前面板為絕熱剪切破壞，彈速較低時，彈孔周圍將產生明顯的碟形彎曲變形（見圖 4（a）、圖 4（b））；板厚較大、彈速較高時孔邊靶材存在明顯開坑唇邊（見圖 4（c）、圖 4（d））。由于泡沫鋁芯材的動支撐作用，限制了前面板的變形，導致非接觸區(qū)與彈靶接觸區(qū)速度梯度增大，前面板更容易發(fā)生絕熱剪切，碟形彎曲變形區(qū)變小；彈速越高動支撐剛度越大，當彈速高于泡沫芯材應力波速時，前面板幾乎看不到碟形彎曲變形。

圖 5 為后面板的典型破壞形貌。由圖可知后面板均發(fā)生了局部碟形彎曲-貫穿破壞。試驗 4 和試驗 8 后面板還發(fā)生了花瓣開口破壞，破口彈徑最大分別為 20 mm和 32 mm，遠大于彈體邊長。泡沫鋁芯材對后面板的影響包括 2 個方面：一是彈體侵徹在芯材中產生的壓縮波會透射到后面板，使后面板獲得一定的速度，降低了彈靶相對速度；另一方面附著在彈體頭部的壓實泡沫鋁芯材隨彈體共同作用于后面板，降低了后面板彈靶作用區(qū)與鄰近區(qū)域的應力梯度。因此，后面板未能產生絕熱剪切破壞，而是發(fā)生碟形彎曲變形和剪切、拉伸復合型破口。當后面板厚度較小時，彈體和壓實泡沫鋁芯材的共同擠壓作用還將使后面板在環(huán)向產生撕裂形成花瓣破壞（見圖 5（b）和圖 5（d））。

2.2 侵徹過程

通過對泡沫鋁芯材、前面板與后面板的變形破壞模式分析，可知夾芯結構在中、低速（小于芯材應力波波速）彈體侵徹下失效破壞過程（見圖 6）可以分為前面板剪切沖塞與碟形彎曲變形，泡沫鋁胞壁剪切、壓實和撕裂，后面板碟形變形和貫穿 3 個階段。彈體撞擊夾芯結構前面板時，彈靶作用區(qū)迅速發(fā)生運動，與相鄰區(qū)域產生較大的速度梯度和剪切變形，由于變形區(qū)小、變形時間短，變形熱積聚導致材料發(fā)生絕熱剪切破壞；同時，橫向傳播的剪切波將導致前面板發(fā)生碟形彎曲變形。彈體與前面板剪切塞塊繼續(xù)侵徹泡沫鋁芯材，芯材迅速發(fā)生胞壁剪切破壞；同時，彈靶接觸區(qū)外芯材在前面板的擠壓作用下發(fā)生壓實坍塌破壞。彈體繼續(xù)侵徹，芯材中壓縮波將在彈靶接觸面與背面板之間來回傳播，并導致彈體前方胞孔壓縮變形，同時后面板獲得一定的預速度；若彈速高于芯材聲速，壓縮波不能離開彈體頭部，彈體前方僅有很薄一層胞孔被壓實（見圖 7）。壓縮波從背面板反射將在泡沫鋁芯材中產生拉伸作用，拉伸波與彈體侵徹壓縮作用疊加，使得芯層產生喇叭狀撕裂破壞。隨后，彈體與壓實的泡沫芯材共同作用于后面板，增大了彈靶作用區(qū)，降低了應力及速度梯度，后面板彈著點區(qū)域發(fā)生很大范圍的碟形變形，直至產生破口、彈體飛出。

2.3 靶板吸能特性

為了探究靶板的吸能特性，假設彈體穿透靶板后和沖塞塊一起飛出（見圖 8）時，飛出的沖塞塊的截面積與彈體截面積尺寸相同，則飛出沖塞塊的質量為：

侵徹過程中靶板吸能為：

靶板單位面密度吸能為：

式中： S 為彈體截面積；PA為靶板面密度；mb為彈體質量；V0和 Vr分別為彈體初始速度和剩余速度。4 種形式的靶板的靶板單位面密度吸能如表 4 所示。

表4 靶板單位面密度吸能Tab.4 The absorbed energy per unit area of target plate

由表4可知，純泡沫鋁靶板單位面密度吸能較小，泡沫鋁和面板組成的夾芯結構單位面密度吸能明顯比純泡沫鋁靶板增大，這表明面板的存在能夠明顯提高靶板的抗彈性能。通過對比第 II 種靶板和第 III 種靶板的單位面密度吸能，可知前面板對夾芯結構的抗彈性能影響大于后面板產生的影響。這是因為在第 II種靶板中，彈體穿透前面板后，前面板塞塊和彈體一起撞擊泡沫鋁，相當于增大了彈體的質量，侵徹泡沫鋁芯材時消耗更多能量。高速彈體侵徹下，第 IV 種靶板單位面密度吸能最多，抗彈性能最好。這是因為第IV 種靶板不僅存在前面板，而且后面板產生了大范圍的碟形彎曲變形和花瓣開裂，消耗了更多彈體能量。高速彈體侵徹下靶板的抗彈性能明顯由于中速彈體侵徹下靶板的抗彈性能。

3 結 語

通過開展泡沫鋁芯材、前面板與芯材、芯材與后面板以及泡沫鋁夾芯結構 4 種靶板中、高速彈道沖擊實驗，通過分析實驗結果可以得出以下結論：

1）在彈體侵徹下，泡沫鋁芯材發(fā)生了絕熱剪切破壞和胞壁撕裂破壞，靶板有前面板的泡沫鋁芯材還發(fā)生了壓實坍塌破壞；前面板發(fā)生了絕熱剪切破壞，彈速較低時，彈孔周圍將產生明顯的碟形彎曲變形，板厚較大、彈速較高時孔邊靶材存在明顯開坑唇邊；后面板發(fā)生了局部碟形彎曲-貫穿破壞，板厚較小時，后面板還產生了花瓣開裂。

2）泡沫鋁夾芯結構在彈體侵徹下可以分為前面板剪切沖塞與碟形彎曲變形，泡沫鋁胞壁剪切、壓實和撕裂，后面板碟形變形、貫穿 3 個階段。彈速較高時，前面板發(fā)生絕熱剪切破壞。

3）泡沫鋁靶板單位面密度吸能小，泡沫鋁和面板組成的夾芯結構單位面密度吸能大。面板的存在能夠明顯提高靶板的抗彈性能。前面板對靶板的抗彈性能影響大于后面板產生的影響。同一種形式的靶板在高速彈體侵徹下的抗彈性能明顯優(yōu)于中速彈體侵徹下的抗彈性能。

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Experimental investigation on aluminum foam sandwich structure under medium and high velocity bullet impact

FANG Zhi-wei, HOU Hai-liang, ZHANG Yuan-hao, CHEN Chang-hai, HU Nian-ming
(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In order to investigate the anti-penetration performance and failure modes of aluminum foam sandwich structure under medium and high velocity bullet impact, we devised 4 kinds of target plates and carried out series ballistic tests on them. There are aluminum foam (I), front facet and aluminum foam (II), aluminum foam and back facet (III) and aluminum foam sandwich (IV). The experiments result indicated that the core foam failed in the mode of through-thickness shearing and tearing when the velocity impact is medium or high. With front facet plate, the aluminum core damaged with crushing. The failure mode of the front face sheet was shear plugging. Around the bullet hole, we can observed obvious disc deformation when the velocity is low and lip of steel in the crevasse when the velocity is high. The back face sheet failed in local disc deformation-shear plugging and crevasse cracking occurred when the plate is thin. While shear plugging only occurred in the front face sheet under high velocity impact. The energy absorbed by aluminum foam plate is small while the energy absorbed by sandwich structure improved greatly. With face sheet, the target plate ability of anti-penetration enhance sharply. The front sheet had great influence on the anti-penetration performance than the back sheet. Every kind of sandwich anti-penetration performance under high velocity is significant improved than that performed under medium velocity.

aluminum foam；sandwich structure；ballistics test；anti-penetration performance

O344.7

A

1672 – 7619(2017)06 – 0012 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.003

2016 – 07 – 25

國家自然科學基金資助項目(51209211，51479204)

方志威(1992 – )，男，碩士研究生，研究方向為艦船復合防護裝甲。