木材泡沫鋁層疊結(jié)構(gòu)材在瞬態(tài)加載時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性1)

李樹(shù)森 李苗 張巖

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

木材泡沫鋁作為一種新型層疊結(jié)構(gòu)材料，成為工程材料行業(yè)和軍事領(lǐng)域廣為關(guān)注的熱點(diǎn)。研制一種木材泡沫鋁層疊新型材料結(jié)構(gòu)，既發(fā)揮了木材原有的優(yōu)良特性，同時(shí)也發(fā)揮了泡沫鋁材料剛度高、強(qiáng)度高、密度低和吸能性好的特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)材料的抗侵徹問(wèn)題相對(duì)單層板復(fù)雜。文獻(xiàn)[1]利用仿真實(shí)驗(yàn)，研究了高速撞擊狀態(tài)下復(fù)合材料破壞形式的狀態(tài)、能量的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性。Corbett et al.[2]對(duì)層疊結(jié)構(gòu)材料厚度、分層數(shù)、材料連接性能、桿彈形狀、層疊結(jié)構(gòu)層間間隙及層疊順序等影響因素進(jìn)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(dòng)態(tài)力學(xué)性能和變形破壞模式；李志斌等[4]研究了復(fù)合材料與泡沫鋁組成層疊板在低速?zèng)_擊下的力學(xué)性能；葉楠等[5]研究了PVC夾芯板在高速加載時(shí)的力學(xué)變形、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和失效模式；謝文波等[6]做了不同角度時(shí)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的貫穿試驗(yàn)，并分析出侵徹角度對(duì)能量吸收和彈道極限速度的影響；李樹(shù)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(jié)構(gòu)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?gòu)?fù)合材料上[8]，對(duì)非金屬材料與金屬材料復(fù)合的層疊結(jié)構(gòu)材料的抗侵徹特性研究較少，有限的研究也多集中于數(shù)值仿真。筆者以木材、泡沫鋁板為材料，經(jīng)層疊制作2種型號(hào)(T5T10T5和T10T15T10)木材泡沫鋁層疊結(jié)構(gòu)靶板，利用一級(jí)輕氣炮發(fā)射卵形頭和平頭桿彈對(duì)靶板進(jìn)行瞬態(tài)加載試驗(yàn)，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(jié)構(gòu)材在工程實(shí)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(qiáng)度6.4 MPa、抗彎強(qiáng)度11.0 MPa。木材在WDW電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，測(cè)得其抗拉強(qiáng)度71.65 MPa、抗彎強(qiáng)度46.52 MPa、屈服強(qiáng)度41.96 MPa、彈性模量522.34 MPa。

木材泡沫鋁層疊結(jié)構(gòu)靶板厚度分別為20、35 mm，尺寸均為200 mm×200 mm，通過(guò)螺栓固定在靶架上(見(jiàn)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(qiáng)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(zhǎng)37.21 mm、質(zhì)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(zhì)量69.75 g。為使桿彈質(zhì)心前移，保證正加載靶板，桿彈后端開(kāi)有直徑6.2 mm、長(zhǎng)10 mm的孔。

試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)高速撞擊研究中心的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行(見(jiàn)圖2)。參考文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)方法，對(duì)靶板進(jìn)行瞬態(tài)加載試驗(yàn)。桿彈初始速度由一級(jí)輕氣炮的高壓氣室內(nèi)氮?dú)鈮毫Q定，經(jīng)過(guò)發(fā)射管，由激光測(cè)速系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，最終于靶倉(cāng)內(nèi)撞擊靶板，并用沙箱作為緩沖保護(hù)裝置。高速攝像機(jī)型號(hào)為FASTCAMSA-Z、幀率為20 000 fps，每隔50 μs采集1次數(shù)據(jù)和圖像。

2 結(jié)果與分析

2.1 彈道極限速度

試驗(yàn)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(duì)T5T10T5、T10T15T10靶板進(jìn)行8次加載試驗(yàn)(見(jiàn)表1)。通過(guò)高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄侵徹全過(guò)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(cè)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(duì)2種靶板加載試驗(yàn)的初始速度和剩余速度

當(dāng)桿彈的剩余速度為0時(shí)，代表?xiàng)U彈未能貫穿靶板。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)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(jù)Recht et al.[10]提出的經(jīng)驗(yàn)公式，得出桿彈初始速度-剩余速度關(guān)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(shù)。

通過(guò)對(duì)初始速度-剩余速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，得出1條與數(shù)據(jù)最相符的曲線(見(jiàn)圖3)，即可得到a和p，該曲線與x軸的交點(diǎn)即為彈道極限速度(見(jiàn)表2)。

由圖3可見(jiàn)：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(jié)構(gòu)和厚度，對(duì)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(duì)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(dǎo)致的。

表2 彈道的極限速度和模型參數(shù)

由表2可知，通過(guò)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(shí)試驗(yàn)情況，證明最小二乘法擬合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)桿彈極限速度的預(yù)測(cè)。

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(shí)刻，即桿彈即將與靶板發(fā)生接觸。由圖4(b)可見(jiàn)，當(dāng)平頭桿彈加載靶板且全部進(jìn)入靶板時(shí)，靶板被沖出一個(gè)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(shí)的情況，沒(méi)有更多的大碎片被沖出，靶板貫穿側(cè)表面未出現(xiàn)明顯破壞，但在平頭桿彈尾部周?chē)休^多被沖出的細(xì)小碎片。由圖5(b)可見(jiàn)，當(dāng)卵形頭桿彈加載靶板且全部進(jìn)入靶板時(shí)，沒(méi)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(shí)的情況，沒(méi)有更多的小碎片被沖出，但在靶板貫穿側(cè)表面出現(xiàn)小范圍破壞。對(duì)比2種桿彈的加載結(jié)果，在加載過(guò)程中均未見(jiàn)到靶板出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)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(shí)的情況，正面形成和桿彈形狀一致的加載坑，背面產(chǎn)生輕微開(kāi)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(nèi)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(shí)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(dāng)桿彈加載靶板處于反彈或嵌入狀態(tài)時(shí)，平頭桿彈的加載會(huì)使第二層泡沫鋁無(wú)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(kāi)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(shí)的最大撓度值見(jiàn)表3，圖7描繪了靶板的最大撓度與初始速度之間的關(guān)系。由表3可知，靶板的最大撓度在彈道極限速度附近達(dá)到最大，隨初始速度的增加而減小。說(shuō)明桿彈初始速度超過(guò)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(shí)的最大撓度(hm)

由圖7可見(jiàn)：4種不同初始速度的平頭桿彈加載時(shí)，靶板在不同徑向距離處的撓度變化趨勢(shì)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(shí)的靶板的撓度，大于損傷形式為反彈或嵌入時(shí)的靶板的撓度。

3 結(jié)論

對(duì)于2種木材泡沫鋁層疊結(jié)構(gòu)靶板，卵形頭桿彈的極限速度都高于平頭桿彈，此時(shí)靶板對(duì)卵形頭桿彈的抗侵徹性強(qiáng)于平頭桿彈；隨著初始速度增大，相同初始速度時(shí)卵形頭桿彈的剩余速度大于平頭桿彈，此時(shí)靶板對(duì)平頭桿彈的抗侵徹性要強(qiáng)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(shí)，兩者存在區(qū)別，卵形頭桿彈貫穿靶板，是因?yàn)樗矐B(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(dāng)桿彈初始速度超過(guò)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。