多層泡沫鋁夾芯板的抗爆性能

顧文彬, 徐景林, 劉建青, 陳江海,2, 胡亞峰

(1. 解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院, 江蘇 南京 210007; 2. 65307部隊(duì), 吉林 132002; 3. 中國華陰兵器試驗(yàn)中心, 陜西 華陰 714200)

1 引 言

泡沫鋁(aluminum foam, ALF)作為一種新型的防護(hù)材料,廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。泡沫鋁相對(duì)密度小,又具有一定的強(qiáng)度,其獨(dú)特的泡孔結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時(shí)能夠吸收大量的能量,具有優(yōu)良的防護(hù)能力。不少學(xué)者和研究人員對(duì)泡沫鋁的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能、吸能機(jī)理以及變形理論進(jìn)行了大量的研究。田杰[1]對(duì)不同密度、不同基體泡沫鋁中沖擊波的衰減規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明高密度的泡沫鋁的沖擊波衰減系數(shù)比低密度泡沫鋁大; 董永香等[2]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究了鋼筋混凝土和泡沬鋁夾層板在爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和毀傷模式; 李志斌[3]對(duì)閉孔泡沫鋁材料在高溫下的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明閉孔泡沫鋁材料具有明顯的溫度軟化效應(yīng); 康建功等[4]考慮能量損耗,提出了一種計(jì)算泡沫鋁衰減飛片沖擊波壓力的方法; 任新見等[5]通過實(shí)驗(yàn)研究了泡沫鋁夾芯圓柱形排爆罐中應(yīng)力波的衰減特性,發(fā)現(xiàn)泡沫鋁能夠大大削減應(yīng)力波的強(qiáng)度,“硬-軟-硬”疊合結(jié)構(gòu)是一種合理的抗爆結(jié)構(gòu)形式; 敬霖等[6-7]利用四纜彈道擺系統(tǒng)測量了圓柱形三明治板在爆炸作用下所受到的沖量,發(fā)現(xiàn)三明治面板的塑性變形和爆炸沖量呈線性關(guān)系,沖量越大板的變形越大; 李偉等[8]研究了球形泡沫鋁夾芯三明治板在外部載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)的抗爆能力要好于圓柱形結(jié)構(gòu); Shen Jianhu等[9]對(duì)向外彎曲的泡沫鋁夾芯三明治板進(jìn)行了爆炸加載實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)與平面泡沫鋁夾芯三明治板相比,這種結(jié)構(gòu)改變了爆轟波的入射角度以及面板的變形機(jī)制,其抗爆能力要優(yōu)于后者。

隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)單層泡沫鋁的吸能效率不高,越來越多的研究人員開始關(guān)注多層泡沫鋁的抗爆能力[10-13],但是目前關(guān)于在爆炸載荷下多層泡沫鋁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究較少,人們只關(guān)注了多層泡沫鋁結(jié)構(gòu)背板的變形量,而忽略了泡沫鋁的變形模式、吸能量以及應(yīng)力波的衰減規(guī)律,而且受到實(shí)驗(yàn)條件的限制,對(duì)大藥量條件下,多層泡沫鋁爆炸加載實(shí)驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道更少。本工作在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上,結(jié)合爆炸加載實(shí)驗(yàn),對(duì)不同密度排列的多層泡沫鋁夾芯三明治結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)行研究。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬參數(shù)

泡沫鋁夾芯板由上下兩層鋼板和中間三層泡沫鋁夾芯組成,數(shù)值模型如圖1所示。在LS-DYNA中空氣和炸藥都采用歐拉網(wǎng)格,鋼板和各層泡沫鋁都是拉格朗日網(wǎng)格,大小均為2.5 mm; 為了方便建模,采取直接在空氣中填充炸藥的方法,填充圓柱形裝藥,藥量500g。建立空氣網(wǎng)格作為耦合域?qū)⑸蠈愉摪逋耆饋?流固耦合參數(shù)[14]見表1。NQUAD代表耦合積分點(diǎn)個(gè)數(shù),取值為3表示每個(gè)Lagrange單元表面都有3×3個(gè)積分點(diǎn); CTYPE代表耦合的類型,取值4表示不允許實(shí)體單元出現(xiàn)侵蝕的耦合類型; DIREC代表耦合的方向,取值為2表示只有受壓耦合; MCOUP代表多物質(zhì)選項(xiàng),取值為1表示鋼板只與高密度的爆轟產(chǎn)物耦合; PFAC代表罰函數(shù)系數(shù),取值0.1用于計(jì)算耦合力。另外,在鋼板和泡沫鋁之間定義為面面接觸,接觸剛度0.1。

圖1 數(shù)值模型中的TNT和泡沫鋁夾芯板示意圖

Fig.1 Schematic diagram of TNT and ALF sandwich panels in simulation model

泡沫鋁材料采用*MAT_CRUSHABLE_FOAM本構(gòu)模型,本構(gòu)關(guān)系需要輸入材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。選擇S1、S2、S3(相對(duì)密度分別為13.0%、16.7%、20.4%)三種密度的泡沫鋁進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)條件下的單軸壓縮實(shí)驗(yàn),加載應(yīng)變率為1.33×10-4s-1,獲得了相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線,如圖2所示。根據(jù)文獻(xiàn)[15],當(dāng)泡沫鋁的相對(duì)密度小于21%時(shí),可以忽略應(yīng)變率效應(yīng)的影響,所以在數(shù)值模擬過程中,可以用準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變曲線來表示動(dòng)態(tài)沖擊的情況。

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下不同密度泡沫鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.2 Stress-strain curves of ALF with different densities under quasi-static compression

表1 流固耦合參數(shù)

Table 1 Parameters of fluid-structure interaction

typleNOUADCTYPEDIRECMCOUPPFACnumber34210．1

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泡沫鋁的吸能效果以及抵抗爆炸的能力是和密度密切相關(guān)的,田杰[1]等人就發(fā)現(xiàn)了高密度的泡沫鋁的沖擊波衰減系數(shù)比低密度泡沫鋁大。多層泡沫鋁的不同密度排列也會(huì)對(duì)泡沫鋁夾芯板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)造成顯著影響,這種影響包括泡沫鋁夾芯板的變形,泡沫鋁的吸能量,以及應(yīng)力波的衰減過程等方面。利用上文實(shí)驗(yàn)得到的S1、S2、S3三種密度的泡沫鋁進(jìn)行排列組合,設(shè)計(jì)了表2中9種不同的結(jié)構(gòu),分別進(jìn)行數(shù)值模擬。如圖1中所示,上下為厚度9 mm的A3鋼板,表面尺寸為250 mm×250 mm,中間是三層泡沫鋁,尺寸為Φ230 mm×20 mm,密度的分布如表2所示,炸藥選擇密度為1.65 g·cm-3,尺寸為Φ72.8 mm×72.8 mm的500 g圓柱形TNT,炸高10 cm。

表2 泡沫鋁的密度排列方式

Table 2 The density arrangement modes of ALF

layerconf．1conf．2conf．3conf．4conf．5conf．6conf．7conf．8conf．9upperlayerS1S1S2S2S3S3S1S2S3middlelayerS2S3S1S3S1S2S1S2S3latterlayerS3S2S3S1S2S1S1S2S3

2.3 結(jié)果與分析

泡沫鋁夾芯三明治板相比于同質(zhì)量的單層鋼板具有更好地抗爆沖擊能力,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,在爆炸近區(qū),三明治板迎爆面上的反射超壓可高達(dá)1.5 GPa,而A3鋼的動(dòng)態(tài)屈服極限約為435 MPa[16],沖擊壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了上面板的屈服極限,所以上層鋼板會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形,并進(jìn)一步壓縮泡沫鋁。泡沫鋁材料具有平臺(tái)應(yīng)力段,受到?jīng)_擊時(shí)可以吸收大量的能量,能夠很好的緩沖爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物的作用。

由于數(shù)值模型具有對(duì)稱性,所以只建立1/4模型。選擇最具有代表性的conf.1、conf.4、conf.6、conf.9四種結(jié)構(gòu)的變形效果進(jìn)行說明,如圖3所示。從圖3中可以看到鋼板和泡沫鋁的變形都是由爆炸中心向兩邊逐漸減小,爆心附近區(qū)域的壓縮變形量是最大的; conf.1～conf.4變形類似,上層設(shè)置了密度較小的泡沫鋁,導(dǎo)致上層泡沫鋁壓縮的壓縮量最大,但是中下層泡沫鋁壓縮不充分(如conf.1的下層泡沫鋁和conf.4的中層泡沫鋁); conf.5～conf.6變形類似,上層設(shè)置了密度較大的泡沫鋁,不僅上層泡沫鋁壓縮的壓縮量大,中下層泡沫鋁也得到了較充分的壓縮; conf.7～conf.9變形類似,各層泡沫鋁的密度一致,所以從上到下,泡沫鋁的壓縮量依次減小。

a. conf.1

c. conf.6

b. conf.4

d. conf.9

圖3 泡沫鋁夾芯板的變形圖

Fig.3 Deformation of the ALF sandwich panels

整個(gè)三明治結(jié)構(gòu)的固定方式設(shè)置為底板中心的橫向(X軸)兩端固支,所以在爆炸載荷下,上下鋼板的橫向(X軸)和縱向(Y軸)變形表現(xiàn)出了不同的模式,選取conf.1進(jìn)行說明。以爆心處鋼板的變形位置為原點(diǎn),得到上層鋼板和下層鋼板的橫向和縱向變形曲線,如圖4所示。圖4a中黑藍(lán)兩條曲線分別表示上層鋼板上橫向和縱向兩個(gè)方向上不同位置處的Z向坐標(biāo),坐標(biāo)越小表示變形越大,爆心處鋼板的變形最大,這樣圖中曲線就代表了鋼板在爆炸作用下的直觀變形效果,圖4a中上層鋼板兩個(gè)方向的變形一致,基本上沿爆心向外呈線性減小的趨勢,橫向最大變形量為39.75 mm,縱向最大變形量為38.81 mm,橫向變形略大。圖4b中下層鋼板的變形兩個(gè)方向的變形量差別較大,橫向的最大變形為6.46 mm,而縱向的最大變形僅為0.29 mm?？梢钥吹皆谶@種固定方式下底板的變形以橫向?yàn)橹?所以選取橫向撓度(橫向變形)作為三明治結(jié)構(gòu)在爆炸作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的考核指標(biāo)。

根據(jù)前面設(shè)計(jì)的9種結(jié)構(gòu),分別計(jì)算了底板在500 g TNT炸藥沖擊下的底板橫向撓度的時(shí)程曲線,如圖5所示。由圖5可見,各條曲線表現(xiàn)出了較一致的規(guī)律,在爆炸作用開始的一段時(shí)間內(nèi),底板的撓度達(dá)到了最大值,然后略有下降,出現(xiàn)微小的波動(dòng),在3000 μs左右,橫向撓度基本上趨于穩(wěn)定了?；诎踩钥紤],防護(hù)效果跟底板的最大變形有直接的關(guān)系,所以將底板的最大橫向撓度作為考核指標(biāo)。從圖5可以看到,conf.6在9種結(jié)構(gòu)中底板的橫向撓度最小,對(duì)爆炸載荷的防護(hù)效果最好。

a. steel plate of the upper layer

b. steel plate of the latter layer

圖4 鋼板的橫向和縱向變形曲線

Fig.4 Curves of the horizontal and vertical deformation of steel panel

b. conf.6-conf.9

圖5 不同結(jié)構(gòu)底板橫向撓度曲線

Fig.5 Curves of the horizontal deflection of baseplate with different configurations

泡沫鋁塑性變形的吸能效率高,彈性變形吸能效率低,因此塑性波在泡沫鋁中的連續(xù)傳播能夠?qū)崿F(xiàn)吸能的最大化,圖6所示為conf.1～conf.6在相同爆炸載荷下的吸能量的時(shí)程曲線?？梢钥吹?conf.6的吸能量最大,而conf.3的吸能量最小,conf.1～conf.6的能量分布范圍1.04～1.14 kJ,極差0.1 kJ,能量比率差約9%。吸收能量由大到小的順序?yàn)閏onf.6>conf.5>conf.4 >conf.2>conf.1>conf.3,這與底板橫向撓度的大小是相互對(duì)應(yīng)的,底板橫向撓度由小到大的順序?yàn)閏onf.6

圖6 不同結(jié)構(gòu)的泡沫鋁吸能曲線

Fig.6 Curves of the absorbed energy of aluminum foam with different configuration

3 爆炸載荷加載實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所用泡沫鋁密度較為均勻,性能接近ALPORAS泡沫鋁,將不同密度的泡沫鋁采用線切割加工成薄圓柱狀,尺寸為Φ230 mm×20 mm,泡沫鋁的細(xì)觀結(jié)構(gòu)如圖7所示。將三層不同密度的泡沫鋁圓板上下疊加在一起。由于泡沫鋁并不能直接承受爆炸載荷的作用,所以在迎爆面安裝強(qiáng)度較大的鋼板,制成三明治板結(jié)構(gòu)。鋼板屈服強(qiáng)度較高,直接承受爆炸荷載作用時(shí)只會(huì)發(fā)生塑性變形,進(jìn)而壓縮泡沫鋁,使其吸能。

爆炸加載實(shí)驗(yàn)裝置主要由鋼筒底座、泡沫鋁夾層三明治板和TNT藥柱組成,實(shí)驗(yàn)布局和現(xiàn)場設(shè)置如圖8所示。實(shí)驗(yàn)裝藥采用長徑比為1的500 g圓柱形鑄裝TNT,用硬鐵絲將TNT藥柱懸掛在泡沫鋁夾芯三明治板的中心上方,并通過調(diào)節(jié)鐵絲的高度來控制實(shí)驗(yàn)炸高,炸高設(shè)置見表3。泡沫鋁夾芯三明治板的上下鋼板用螺栓固定在一起,使得三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下只能產(chǎn)生軸向位移,而不產(chǎn)生徑向側(cè)滑位移。下底板用螺栓固定在鋼筒底座上,鋼筒底座深埋土中,使整個(gè)裝置在承受爆炸作用時(shí)保持穩(wěn)定。TNT藥柱采用頂部中心起爆方式起爆,泡沫鋁夾芯三明治板將在爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物作用下被壓縮,發(fā)生凹陷變形。

圖7 閉孔泡沫鋁細(xì)觀結(jié)構(gòu)

Fig.7 Micro-structure of closes-cell aluminum foams

a. diagrammatic sketch b. the setup of

of experiment setting experimental spot

圖8 泡沫鋁夾芯板的爆炸加載實(shí)驗(yàn)

Fig.8 The blast loading experiment of aluminum foam sandwich panels

表3 泡沫鋁密度梯度及炸高

Table 3 Density gradient and blast height for ALF

No．relativedensityofALF/%upperlayermiddlelayerlatterlayerblastdistance/cm1#15．619．322．2152#21．118．115．9153#19．620．020．4104#19．316．315．915

泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的抗爆能力與各層密度梯度息息相關(guān),不同的梯度組合將體現(xiàn)出不同的吸能效果和不同的抵抗變形能力。為了觀察不同密度梯度的泡沫鋁夾層對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)變形的影響,特設(shè)計(jì)置了四組實(shí)驗(yàn),如表3所示。第一組為密度遞增實(shí)驗(yàn),第二組實(shí)驗(yàn)為密度遞減實(shí)驗(yàn),第三組實(shí)驗(yàn)泡沫鋁的密度基本上保持均勻,但是炸高設(shè)置為10 cm,第四組實(shí)驗(yàn)作為第二組的重復(fù)實(shí)驗(yàn),泡沫鋁密度也符合遞減的規(guī)律。為了保證單一變量,每次實(shí)驗(yàn)的上下鋼板厚度都是0.9 cm,每層泡沫鋁的厚度均為2 cm。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在500 g圓柱形TNT裝藥爆炸作用下,多層泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓縮變形后,頂面呈“碗”形凹陷,頂板中心處壓縮變形最大,距離中心越遠(yuǎn)變形越小; 三層泡沫鋁在實(shí)驗(yàn)前是各自分離的,但是在爆炸載荷的作用下,界面處的胞孔變形相互咬合在一起,成為一個(gè)整體。實(shí)驗(yàn)過后固定三明治結(jié)構(gòu)上下鋼板的螺栓沒有發(fā)生塑性變形,也很容易從原結(jié)構(gòu)中拆卸下來,說明螺栓約束對(duì)鋼板變形的影響不大,在數(shù)值模擬中忽略螺栓約束的做法是可行的。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),四組實(shí)驗(yàn)種鋼板的變形模式較為統(tǒng)一,為方便說明,選擇1#實(shí)驗(yàn)后鋼板的變形效果進(jìn)行討論,如圖9所示,上層鋼板呈中心下凹的塑性變形,橫向和縱向的撓度基本上相等,下層鋼板變現(xiàn)出橫向中間彎折的塑性變形,橫向的撓度較大,縱向的撓度較小,這與數(shù)值模擬的結(jié)果是一致的,說明數(shù)值模擬的結(jié)果接近于真實(shí)情況。出現(xiàn)這種情況的原因主要是由實(shí)驗(yàn)的固定方式所決定的: 上層鋼板固定在泡沫鋁的上方,泡沫鋁在各個(gè)方向上都是易于壓縮的,所以上層鋼板中心的變形比較均勻,出現(xiàn)中心下凹的塑性變形,而底層鋼板是橫向兩端固支于鋼筒,而縱向上基本上是懸空的,所以發(fā)生向中間彎折的塑性變形。

a. steel plate of the upper layer

b. steel plate of the latter layer

圖9 1#實(shí)驗(yàn)鋼板變形結(jié)果

Fig.9 The deformation of steel panels for 1#experiment

泡沫鋁的變形模式分為三個(gè)區(qū)域,如圖10中的①、②、③,第一個(gè)區(qū)域離爆心最遠(yuǎn),胞壁維持原始形狀,發(fā)生彈性變形,第二區(qū)域靠近爆心,可以看到胞壁產(chǎn)生了塑性變形,被擠壓、塌陷,泡孔逐漸被壓扁,第三個(gè)區(qū)域是爆心區(qū)域,此處的泡沫鋁胞壁發(fā)生斷裂,泡孔被壓實(shí),達(dá)到致密階段。圖10中可以發(fā)現(xiàn),1#和2#實(shí)驗(yàn)的泡沫鋁變形區(qū)域稍有不同: 1#實(shí)驗(yàn)只有上層泡沫鋁和中間層部分泡沫鋁達(dá)到了密實(shí)狀態(tài),而下層泡沫鋁基本上只發(fā)生彈性變形; 2#實(shí)驗(yàn)上層泡沫鋁和下層泡沫鋁都達(dá)到了密實(shí)狀態(tài),中間層發(fā)生塑性變形。因?yàn)榕菽X的塑性變形吸能量大,所以2#實(shí)驗(yàn)的變形模式有利于吸能的最大化,所以說密度遞減的結(jié)構(gòu)比密度遞增結(jié)構(gòu)的吸能效率高。3#實(shí)驗(yàn)由于炸高設(shè)置較低,所以明顯看到泡沫鋁的壓縮量最大,且中心位置泡沫鋁基本上都達(dá)到了致密階段; 4#實(shí)驗(yàn)作為2#實(shí)驗(yàn)的重復(fù)實(shí)驗(yàn),其變形模式和2#實(shí)驗(yàn)一致,上層泡沫鋁和下層泡沫鋁都達(dá)到了密實(shí)狀態(tài),中間層發(fā)生塑性變形。

a. 1# experiment

b. 2# experiment

c. 3# experiment

d. 4# experiment

圖10 泡沫鋁的變形模式

Fig.10 The deformation modes of ALF

泡沫鋁夾芯三明治板主要對(duì)起內(nèi)部或底部的對(duì)象起保護(hù)作用,因此下板的變形量直接體現(xiàn)其防護(hù)能力,各組實(shí)驗(yàn)變形結(jié)果的曲線見圖11。由圖11可見,上下兩層鋼板的變形量從中間往兩邊逐漸減小,各組實(shí)驗(yàn)鋼板的變形趨勢一致。表4中列出了各組實(shí)驗(yàn)變形的峰值,可以看到,3#實(shí)驗(yàn)采用10 cm炸高,所以底板的變形要明顯高于其他三組實(shí)驗(yàn)。2#實(shí)驗(yàn)和4#均為密度遞減結(jié)構(gòu),并且實(shí)驗(yàn)條件相近,底板變形平均值為5.4 mm,比1#實(shí)驗(yàn)密度遞增結(jié)構(gòu)減小了25%,這表明密度遞減結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果要強(qiáng)于密度遞增結(jié)構(gòu)。

a. steel plate of the upper layer

b. steel plate of the latter layer

圖11 鋼板的變形曲線

Fig.11 The deformation curves of steel panels

表4 四組實(shí)驗(yàn)鋼板和泡沫鋁板變形量峰值

Table 4 The deformation peak of steel and aluminum foam panels in 4 groups of tests

No．upperlayer/mmlatterlayer/mmdeformationofALF/mm1#19．57．219．92#17．05．022．53#37．48．136．54#17．25．822．4

實(shí)驗(yàn)采用聚偏二氟乙烯壓電薄膜(PVDF)傳感器測試了各層材料之間的應(yīng)力傳播狀況,由于數(shù)字采集儀量程的限制,可以測試的最大應(yīng)力波壓力為300 MPa,實(shí)驗(yàn)只記錄到了炸高為15 cm的三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),測試結(jié)果見表5。

PVDF傳感器具有很高的響應(yīng)頻率能夠用于爆炸載荷下應(yīng)力波的測量,對(duì)傳感器記錄的電壓信號(hào)進(jìn)行積分就可以獲得應(yīng)力信號(hào),每組實(shí)驗(yàn)4個(gè)傳感器分別測試的是上層鋼板和上層泡沫鋁、上層泡沫鋁和中層泡沫鋁、中層泡沫鋁和下層泡沫鋁、下層泡沫鋁和下層鋼板之間的應(yīng)力,傳感器的設(shè)置如圖8a所示。從表5的結(jié)果可以看到,三組實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力值峰值衰減很快,從上百兆帕衰減到幾兆帕。由于1#實(shí)驗(yàn)的上層泡沫鋁相對(duì)密度為15.6%,而2#實(shí)驗(yàn)的上層泡沫鋁密度為21.1%,根據(jù)一維應(yīng)力波理論[17],透射到2#實(shí)驗(yàn)上層泡沫鋁的應(yīng)力波強(qiáng)度要比1#實(shí)驗(yàn)大。2#和4#實(shí)驗(yàn)條件相似,所以測試得到的數(shù)據(jù)相近,二者下層泡沫鋁的應(yīng)力波強(qiáng)度平均值為2.75 MPa,僅有1#應(yīng)力波強(qiáng)度的31.6%,這表明泡沫鋁密度遞減結(jié)構(gòu)比密度遞增結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波的衰減能力強(qiáng)。

表5 實(shí)驗(yàn)中各層材料之間應(yīng)力值

Table 5 The values of stress between different layer materials in experiment

MPa

4 結(jié) 論

對(duì)多層泡沫鋁夾芯板進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了不同結(jié)構(gòu)中底板變形情況、泡沫鋁吸能情況,爆炸加載實(shí)驗(yàn)還得到了不同密度組合下的沖擊波衰減規(guī)律,分析數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要得到以下結(jié)論:

(1) 在LS-DYNA中建立了9種不同密度排列的多層泡沫鋁爆炸加載三維模型,數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)底板的變形以橫向?yàn)橹?密度遞減結(jié)構(gòu)在9種結(jié)構(gòu)中底板的橫向撓度最小,同時(shí)泡沫鋁按照這種密度排序的吸能量最大。

(2) 泡沫鋁的變形可以分為三種模式,第一種胞壁維持原始形狀,發(fā)生彈性變形,第二種胞壁產(chǎn)生了塑性變形,被擠壓、塌陷,泡孔逐漸被壓扁,第三種泡沫鋁胞壁發(fā)生斷裂,泡孔被壓實(shí),達(dá)到致密階段。

(3) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泡沫鋁密度遞減結(jié)構(gòu)比密度遞增結(jié)構(gòu)的底板橫向撓度小,與數(shù)值模擬的結(jié)果吻合,并且在同樣的爆炸載荷作用下,密度遞減結(jié)構(gòu)應(yīng)力波強(qiáng)度只有密度遞增結(jié)構(gòu)的31.6%,這表明泡沫鋁按照密度遞減的順序排列能夠提高整體結(jié)構(gòu)的抗爆能力。

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