沖擊波作用下泡沫鋁-鋼層合板的變形模擬

林茂+田艷鳳+余曉青+胡功笠

摘要：利用ANSYS/LS-DYNA程序?qū)ε菽X-鋼層合板的變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了泡沫鋁-鋼層合板具有良好的緩沖吸能特性，結(jié)果表明，在沖擊波作用下，層合板產(chǎn)生較大的塑性變形，從而吸收轉(zhuǎn)化了部分沖擊波能量。最后，給出了泡沫鋁-鋼層合板的吸能機(jī)理。

關(guān)鍵詞：沖擊波；泡沫鋁-鋼層合板；數(shù)值模擬

目前，常規(guī)武器對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上防護(hù)掩體的殺傷手段主要有航炮彈、鉆地彈、鉆爆彈等，它們主要是通過(guò)破壞防御工事來(lái)達(dá)到殺傷內(nèi)部人員的目的，但隨著科技的發(fā)展，戰(zhàn)場(chǎng)上爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波已成為殺傷人員的重要手段之一，即便是弱沖擊波，也可以對(duì)防護(hù)掩體內(nèi)部人員造成很大的傷害。因此，為了有效的防護(hù)沖擊波毀傷，本文提出了一種新材料，泡沫鋁-鋼層合板，該層合板有兩種材料組成：上下兩層鋼板和芯層材料泡沫鋁，其中泡沫鋁為核心材料，具有優(yōu)良的緩沖吸能特性以及衰減沖擊波的性能。再加上下兩層的鋼板，使得層合板既可以做到滿足強(qiáng)度的要求，又可以做到最大限度的吸收沖擊波能量，是一種有效的沖擊防護(hù)及沖擊波衰減材料。為了驗(yàn)證沖擊波作用下層合板的緩沖吸能特性，本文利用ANSYS/LS-DYNA程序?qū)ε菽X-鋼層合板的變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

一、模型

在尺寸為150cm×150cm×2cm的泡沫鋁-鋼層合板的中央，放置一尺寸為4cm×3cm×150cm的長(zhǎng)條形炸藥。在炸藥上端采用線起爆方式，模擬分析層合板對(duì)爆炸沖擊波能的吸收情況。模型如圖1所示。

二、模擬結(jié)果及分析

比較圖3和圖4，可以看出層合板在爆炸荷載作用下上部鋼板首先屈服，接著泡沫鋁層的上部單元被壓實(shí)，胞壁在不斷的自上而下崩塌，是一種分層壓實(shí)的變形機(jī)制。彈性階段，壓應(yīng)力很小，試件受壓產(chǎn)生彈性變形，泡沫鋁處于線性彈性形變范圍，胞壁經(jīng)受彈性形變的過(guò)程；塑性平臺(tái)區(qū)主要反映了泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)被壓垮屈曲的過(guò)程，在此階段，由于壓力的增加，有個(gè)別孔壁首先被壓垮，其所在層面上的其余胞壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致整層胞孔被壓垮。而致密區(qū)則反映泡沫鋁被壓實(shí)后的變形過(guò)程，試件中的胞孔全部被壓垮，壓實(shí)，孔壁基本材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性開(kāi)始出現(xiàn)，導(dǎo)致應(yīng)力急劇增加。

2、泡沫鋁中心單元的位移時(shí)程曲線。泡沫鋁中心單元的位移時(shí)程曲線如圖5所示，單元1801是與上部鋼板接觸的泡沫鋁中心單元，單元1651是與下部鋼板接觸的泡沫鋁中心單元。

由圖5可以看出，當(dāng)爆轟波傳遞到泡沫鋁單元時(shí)，泡沫鋁的上層單元也發(fā)生塑性變形，隨著應(yīng)力的急劇增加，單元1801的位移也迅速增大，變形持續(xù)整個(gè)過(guò)程，爆轟波能量也被衰減。單元1651的位移比單元1801小，這是由于單元1651還處于平臺(tái)屈服階段，此時(shí)的爆轟波能量已經(jīng)部分被泡沫鋁單元和上部鋼板單元衰減，已不足以再使底層的泡沫鋁單元和下部鋼板單元發(fā)生大的塑性變形。

3、鋼板單元的壓應(yīng)力時(shí)程曲線。

圖6顯示上部鋼板應(yīng)力值比較大，達(dá)到5.8GPa，而且在剛開(kāi)始的40ms內(nèi)，鋼板的壓應(yīng)力值出現(xiàn)多次波動(dòng)。隨著爆轟波的繼續(xù)傳播，上部鋼板的壓應(yīng)力值也逐漸衰減。圖7表明下部鋼板的壓應(yīng)力值比較小，約是上部鋼板壓應(yīng)力值的0.15%，且在爆炸過(guò)后的70ms內(nèi)應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化，在最后的50ms內(nèi)壓應(yīng)力也是增加緩慢。由此可以得到，泡沫鋁在中間層發(fā)揮了良好的吸能作用。

三、泡沫鋁-鋼層合板的吸能機(jī)理

層合板的吸能效能分別由鋼板和泡沫鋁承擔(dān)，因此可以得出層合板的吸能機(jī)理為：首先，鋼板發(fā)生塑性變形吸收部分能量；接著泡沫鋁發(fā)生塑性形變，泡沫鋁孔壁在變形過(guò)程中相互摩擦?xí)r，能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，泡沫鋁中有空氣，空氣在沖擊波作用下絕熱壓縮，這就導(dǎo)致沖擊波的能量在傳播過(guò)程中部分被耗散，剩余部分向前傳播；因?yàn)橛辛说诙愉摪宓拇嬖?，利用其剛度大的特性，在剩余沖擊能量透射過(guò)程中，降低了內(nèi)層層裂產(chǎn)生的破壞效應(yīng)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文利用ANSYS/LS-DYNA程序，對(duì)泡沫鋁-鋼層合板在沖擊波作用下的變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了泡沫鋁-鋼層合板具有良好的緩沖吸能特性。結(jié)果表明，在沖擊波作用下，層合板產(chǎn)生較大的塑性變形，從而吸收轉(zhuǎn)化了部分沖擊波能量。最后，給出了泡沫鋁-鋼層合板的吸能機(jī)理。這些機(jī)理導(dǎo)致沖擊波的能量在傳播過(guò)程中被耗散，只有較少部分向前傳播，應(yīng)力越高，變形越大，吸收的能量越高。

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