李樹森 李苗 張巖

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

木材泡沫鋁作為一種新型層疊結構材料，成為工程材料行業(yè)和軍事領域廣為關注的熱點。研制一種木材泡沫鋁層疊新型材料結構，既發(fā)揮了木材原有的優(yōu)良特性，同時也發(fā)揮了泡沫鋁材料剛度高、強度高、密度低和吸能性好的特點，使其在工程材料行業(yè)中發(fā)揮重要作用。

木材泡沫鋁層疊結構材料的抗侵徹問題相對單層板復雜。文獻[1]利用仿真實驗，研究了高速撞擊狀態(tài)下復合材料破壞形式的狀態(tài)、能量的系統(tǒng)轉化和內部節(jié)點的力學特性。Corbett et al.[2]對層疊結構材料厚度、分層數、材料連接性能、桿彈形狀、層疊結構層間間隙及層疊順序等影響因素進行了研究分析；牛衛(wèi)晶[3]研究了泡沫鋁層疊板在3種形狀桿彈侵徹下的動態(tài)力學性能和變形破壞模式；李志斌等[4]研究了復合材料與泡沫鋁組成層疊板在低速沖擊下的力學性能；葉楠等[5]研究了PVC夾芯板在高速加載時的力學變形、動態(tài)響應和失效模式；謝文波等[6]做了不同角度時對碳纖維復合材料的貫穿試驗，并分析出侵徹角度對能量吸收和彈道極限速度的影響；李樹森等[7]提出了一種金屬板和楊木膠合板疊加在一起的層疊結構材料，分析了其抗侵徹特性和損傷形式。目前研究主要集中在金屬復合材料上[8]，對非金屬材料與金屬材料復合的層疊結構材料的抗侵徹特性研究較少，有限的研究也多集中于數值仿真。筆者以木材、泡沫鋁板為材料，經層疊制作2種型號(T5T10T5和T10T15T10)木材泡沫鋁層疊結構靶板，利用一級輕氣炮發(fā)射卵形頭和平頭桿彈對靶板進行瞬態(tài)加載試驗，分析靶板抗侵徹性能和失效模式，旨在為分析木材泡沫鋁層疊結構材在工程實際中的抗侵徹性能和失效模式提供參考。

1 材料與方法

泡沫鋁板由杭州某合金科技有限公司提供，密度0.45 g/cm3、抗壓強度6.4 MPa、抗彎強度11.0 MPa。木材在WDW電子萬能試驗機進行靜態(tài)試驗，測得其抗拉強度71.65 MPa、抗彎強度46.52 MPa、屈服強度41.96 MPa、彈性模量522.34 MPa。

木材泡沫鋁層疊結構靶板厚度分別為20、35 mm，尺寸均為200 mm×200 mm，通過螺栓固定在靶架上(見圖1)；靶板有T5T10T5(由5 mm木板、10 mm泡沫鋁板、5 mm木板層疊)、T10T15T10(由10 mm木板、15 mm泡沫鋁板、10 mm木板層疊)。桿彈為高強度45鋼，硬度HRC=55.1，分為平頭、卵形頭。平頭桿彈直徑15.9 mm、長37.21 mm、質量60.39 g；卵形頭桿彈直徑15.9 mm、曲率半徑與直徑之比為3、質量69.75 g。為使桿彈質心前移，保證正加載靶板，桿彈后端開有直徑6.2 mm、長10 mm的孔。

試驗在哈爾濱工業(yè)大學高速撞擊研究中心的試驗裝置上進行(見圖2)。參考文獻[9]中的試驗方法，對靶板進行瞬態(tài)加載試驗。桿彈初始速度由一級輕氣炮的高壓氣室內氮氣壓力決定，經過發(fā)射管，由激光測速系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)進行測試，最終于靶倉內撞擊靶板，并用沙箱作為緩沖保護裝置。高速攝像機型號為FASTCAMSA-Z、幀率為20 000 fps，每隔50 μs采集1次數據和圖像。

2 結果與分析

2.1 彈道極限速度

試驗中，桿彈的初始速度范圍31.3～140.3 m/s，將平頭桿彈和卵形頭桿彈分別對T5T10T5、T10T15T10靶板進行8次加載試驗(見表1)。通過高速攝像機實時記錄侵徹全過程，追蹤桿彈撞擊及貫穿靶板的情形，并獲取圖像資料；間接測量桿彈貫穿靶板后的剩余速度。

表1 平頭桿彈和卵形頭桿彈對2種靶板加載試驗的初始速度和剩余速度

當桿彈的剩余速度為0時，代表桿彈未能貫穿靶板。根據表1中的數據可知，卵形頭桿彈未能貫穿T5T10T5靶板3次、未能貫穿T10T15T10靶板4次；平頭桿彈未能貫穿T5T10T5靶板2次、未能貫穿T10T15T10靶板2次；其余桿彈均貫穿靶板。

根據Recht et al.[10]提出的經驗公式，得出桿彈初始速度-剩余速度關系為：

(1)

式中：vi為初始速度；vr為剩余速度；vb1為極限速度；a、p為待定常數。

通過對初始速度-剩余速度的數據進行最小二乘法擬合，得出1條與數據最相符的曲線(見圖3)，即可得到a和p，該曲線與x軸的交點即為彈道極限速度(見表2)。

由圖3可見：①不同形狀桿彈加載相同靶板的彈道極限速度相近，且卵形頭桿彈的彈道極限速度稍大于平頭桿彈；②靶板的結構和厚度，對其抗侵徹特性有很大影響，同種桿彈加載T10T15T10靶板的彈道極限速度，明顯高于加載T5T10T5靶板的彈道極限速度；③隨著桿彈初始速度增加，靶板對卵形頭桿彈的抗侵徹性能逐漸減弱，這是由桿彈加載靶板后的損傷情況和耗能方式不同所導致的。

表2 彈道的極限速度和模型參數

由表2可知，通過擬合得出的平頭桿彈與卵形頭桿彈貫穿2種靶板的極限速度，均符合真實試驗情況，證明最小二乘法擬合可以實現對桿彈極限速度的預測。

2.2 靶板變形和損傷模式

2.2.1 T10T15T10靶板損傷模式

圖4和圖5分別為平頭桿彈和卵形頭桿彈貫穿T10T15T10靶板的高速攝影圖像。圖4(a)和圖5(a)為2種桿彈加載靶板的初始時刻，即桿彈即將與靶板發(fā)生接觸。由圖4(b)可見，當平頭桿彈加載靶板且全部進入靶板時，靶板被沖出一個較大的塞子和一些大碎片；圖4(c)為平頭桿彈完全貫穿靶板時的情況，沒有更多的大碎片被沖出，靶板貫穿側表面未出現明顯破壞，但在平頭桿彈尾部周圍有較多被沖出的細小碎片。由圖5(b)可見，當卵形頭桿彈加載靶板且全部進入靶板時，沒有形成較大的塞子，但飛出較多小碎片；圖5(c)為卵形頭桿彈完全貫穿靶板時的情況，沒有更多的小碎片被沖出，但在靶板貫穿側表面出現小范圍破壞。對比2種桿彈的加載結果，在加載過程中均未見到靶板出現明顯的結構變形。

圖6給出部分靶板的損傷照片，分別為平頭桿彈和卵形頭桿彈以不同速度加載T10T15T10靶板前后損傷模式。圖6(a)是平頭桿彈加載靶板反彈情形，正面為邊緣整齊的剪切坑，背面未發(fā)生明顯變化；圖6(c)是卵形頭桿彈加載靶板反彈時的情況，正面形成和桿彈形狀一致的加載坑，背面產生輕微開裂。圖6(b)和圖6(d)分別是平頭桿彈和卵形頭桿彈加載后嵌入靶板內的情形，正面孔口邊緣有輕微碎片崩落，背面有較大面積剝落，此時初始速度接近彈道極限速度，穿孔直徑接近桿彈直徑。平頭桿彈以不同速度貫穿靶板的情形、損傷情況與圖6(b)相似，孔徑和剝落形式接近。當桿彈加載靶板處于反彈或嵌入狀態(tài)時，平頭桿彈的加載會使第二層泡沫鋁無明顯彈孔，但變形較大，且與第一層木板連接在一起；卵形頭桿彈加載靶板，靶板有彈孔，孔口邊緣開裂變形較小，且2層層疊未連接在一起。

2.2.2 T5T10T5靶板的損傷模式

T5T10T5靶板在不同初始速度時的最大撓度值見表3，圖7描繪了靶板的最大撓度與初始速度之間的關系。由表3可知，靶板的最大撓度在彈道極限速度附近達到最大，隨初始速度的增加而減小。說明桿彈初始速度超過彈道極限速度后，初始速度越大，靶板越接近局部破壞，整體變形越小。

表3 T5T10T5靶板在平頭桿彈不同初始速度加載時的最大撓度(hm)

由圖7可見：4種不同初始速度的平頭桿彈加載時，靶板在不同徑向距離處的撓度變化趨勢相同，撓度均隨徑向距離的增加而減少；在相同的徑向距離處，隨平頭桿彈初始速度的增加，靶板的撓度增大；損傷形式為貫穿時的靶板的撓度，大于損傷形式為反彈或嵌入時的靶板的撓度。

3 結論

對于2種木材泡沫鋁層疊結構靶板，卵形頭桿彈的極限速度都高于平頭桿彈，此時靶板對卵形頭桿彈的抗侵徹性強于平頭桿彈；隨著初始速度增大，相同初始速度時卵形頭桿彈的剩余速度大于平頭桿彈，此時靶板對平頭桿彈的抗侵徹性要強于卵形頭桿彈。

2種桿彈貫穿靶板后，靶板變形和損傷模式相似，均為正面穿孔、背面脫落、孔口直徑與桿彈直徑接近。同時，兩者存在區(qū)別，卵形頭桿彈貫穿靶板，是因為瞬態(tài)加載使靶板失效變形；而平頭桿彈貫穿靶板，是由于剪切使靶板損傷變形。

靶板背面中心處形成一定撓度，孔口邊緣處撓度最大；當桿彈初始速度超過彈道極限速度，初始速度越大，整體變形越小，靶板越接近局部破壞。