泡沫铝复合结构的应力波防护性能研究

杨冬丽,王琳,杨杰,赵登辉

(1.北京理工大学材料学院,北京 100081;2.公安部第一研究所检测中心,北京 100048）

泡沫铝复合结构的应力波防护性能研究

杨冬丽1,王琳1,杨杰2,赵登辉1

(1.北京理工大学材料学院,北京 100081;2.公安部第一研究所检测中心,北京 100048）

为研究泡沫铝复合结构对应力波的防护能力,利用传统和改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对不同相对密度及不同厚度组合的泡沫铝-铝板复合结构进行冲击试验。研究结果表明:泡沫铝作为夹层,可使入射波分多次传到背板,延迟应力波到达时间,降低了应力波强度。随着泡沫铝夹层厚度的增加,应力波衰减效果明显。泡沫铝-铝板复合结构作为面板,应力波的加载方式发生变化,上升沿得到改善,脉冲宽度增大,最大应力幅值降低,同时吸收大量冲击能,是一种良好的应力波防护材料。增大复合结构中泡沫铝厚度,应力波的上升沿时间延长、斜率减小,应力幅值降低,但脉冲宽度变化不大;铝板厚度对应力波传播影响较小。随着泡沫铝相对密度的增加,经泡沫铝-铝板复合结构作用后,应力波的上升斜率减小,最大应力幅值降低,但脉冲宽度和上升沿时间不变。

金属材料;泡沫铝复合结构;应力波衰减;相对密度

0 引言

目前,无论在国民经济还是军事领域中,应力波对材料的破坏日益严重。弹丸等侵彻物尚未到达的区域,应力波对材料产生提前破坏,大大降低了物体的防御能力。因此,具有抗侵彻能力且有效削弱应力波的材料受到高度重视。泡沫铝夹层复合结构结合了泡沫金属与普通金属材料的优点,具有轻质、吸收冲击能及衰减应力波的特点,在吸能缓冲、应力波防护领域有较好的应用前景[1]。国内外学者对应力波在泡沫金属多层复合结构中的传播规律进行了大量研究[2-6]。董永香等[2]采用气炮实验装置,分析了应力波在泡沫夹层复合结构中的传播规律,发现泡沫材料改变了应力波的幅值与作用时间,同时也改变了各层介质中能量与动能的分配。文献[3-4]通过理论计算和LS-DYNA模拟,发现应力波在钢板-泡沫铝-钢板中传播时,应力波的升压时间增加,幅值下降,有效削弱了爆炸冲击波的破坏作用。田杰等[5]利用PVDF压电压力传感器研究了爆炸载荷下泡沫铝中应力波的传播特性,结果表明应力波在泡沫铝中随着传播距离的增加呈指数衰减的形式,而且泡沫铝作夹心材料时,可以有效地衰减次生应力波的峰值和冲量。

对应力波在泡沫铝夹层复合结构中的传播规律,目前已有一定认识。但对泡沫铝夹心材料的结构参数如相对密度、厚度大小对应力波传播的影响了解不多。另外,目前研究泡沫金属中应力波传播规律的实验手段不多,主要集中在PVDF传感器测量上,但该种方法设计较复杂。结合以上问题,本文采用相对简单的霍普金森压杆(SHPB)装置,并将传统的SHPB装置进行改进,选择不同结构参数的泡沫铝复合结构进行冲击试验。深入研究泡沫铝复合结构对应力波的防护能力,以及结构参数对应力波传播的影响规律,为其实际应用奠定一定的理论和实验基础。

1 实验材料和方法

本文选择孔径尺寸为φ2 mm,相对密度ρ*/ρs(ρ*为泡沫铝密度,ρs为金属铝密度)在0.145～0.253范围内的闭孔泡沫铝为研究对象。泡沫铝复合结构是由泡沫铝和5210铝板组合而成,组合方式有2种,即铝板+泡沫铝,铝板+泡沫铝+铝板,铝板与泡沫铝间通过粘结剂粘结。冲击试样采用圆柱形,直径为φ14.5 mm,泡沫铝厚度在5～15 mm之间,铝板厚度在1～3 mm之间。

采用传统的SHPB装置检测泡沫铝作夹层时应力波的传播特性,实验装置如图1所示。其中,子弹及压杆采用马氏体时效钢制备,直径为φ14.5 mm.以输入杆作为面板,泡沫铝作为夹层,输出杆作背板。子弹以一定速度对面板进行冲击,在杆中产生一定的应力波,通过对比面板和背板上分别采集的应力-时间曲线来评价泡沫铝作夹层时的削波作用。作为对比实验研究,在输入杆和输出杆之间放置金属铝板,考察泡沫铝和铝板对应力波传播的影响。

图1 传统的霍普金森压杆装置Fig.1 Schematic diagram of conventional SHPB device

采用改装的SHPB装置研究泡沫铝与铝板组成的复合结构作为面板对应力波的防护作用,实验装置如图2所示。其中,子弹及压杆材料均为马氏体时效钢,直径为φ14.5 mm,入射杆模拟实际应用领域中被保护的物体。子弹以一定速度对复合结构进行冲击,应力波经过复合结构防护材料的衰减作用后传入输入杆,通过测量输入杆上的应力-时间曲线,研究泡沫铝复合结构对应力波的衰减作用。

图2 改进的霍普金森压杆装置Fig.2 The improved SHPB device

2 实验结果与分析

2.1 泡沫铝作夹层对应力波的衰减作用

图3(a)是φ14.5 mm×8 mm的泡沫铝作夹层时对应力波传播的影响,图3(b)为对比实验,即相同尺寸的铝板作夹层对应力波的影响。

图3 泡沫铝、铝板分别为夹层材料时对应力波传播的影响Fig.3 Effects of the foam Al and Al alloy as interlayermaterials on stress wave propagation

观察图3(a)发现,入射波第1次到达面板与泡沫铝界面时透射波非常微弱,几乎全部形成反射波,反射波在输入杆中传播到达前端变为二次入射波重新加载。应力波重复以上过程4次后,才观察到背板中的透射波,透射波强度在第5次加载时达到最大值193 MPa.观察图3(b)可知,等厚度铝板作夹层时,透射波在第1次加载时强度已达276 MPa,经过2次加载后,应力波完全传入背板。对比可知,泡沫铝作夹层时可使入射波分多次传入背板,不但延缓了应力波到达背板的时间,而且减小了每次到达背板的应力波强度,大大缩短了高强度应力波的持续时间,降低了背板因受强冲击作用提前破坏的可能性。这与其他研究者利用PVDF传感器测量及LS-DYNA模拟得到的实验结果一致,应力波经过泡沫金属材料后,波幅消减、作用时间增长[2-4]。铝板作夹层虽然也降低了背板应力波强度,即入射波强度由520 MPa降低为276 MPa,但对应力波传播时间几乎没有影响。

分析泡沫铝作夹层可有效阻隔应力波传播的原因,应力波在多层介质中传播时,由于各层材料的波阻抗不同,在界面处会产生反射和透射。设面板和背板材料的波阻抗Z1为ρ1c1,泡沫铝夹层的波阻抗Z2为ρ2c2,则面板和夹层界面处的反射波强度σR1和透射波强度σT1[7]分别为

式中:σI为入射波强度。应力波在夹层与背板界面产生的透射波强度σT2为

本实验中,压杆材料密度为7 900 kg/m3,波速5 000 m/s,波阻抗Z1为39.6×106kg/(m2·s);泡沫铝密度为500 kg/m3,波速600 m/s,波阻抗Z2为0.3×106kg/(m2·s).因此,压杆与泡沫铝波阻抗相差很大,应力波经过泡沫铝传播到输出杆的透射波很弱,大部分被反射到输入杆。随着泡沫铝的不断压实,波阻抗变大,与压杆材料的波阻抗差异逐渐减小,透射波逐渐变强。在入射波第5次加载时泡沫铝完全被压实,透射波强度达到最大。通过以上分析,得知以泡沫铝为代表的泡沫金属作为夹层可以有效衰减应力波的传播。

选择不同厚度的泡沫铝进行实验,分析厚度大小对应力波衰减的影响,如图4所示。由图可知,夹层厚度为5 mm时,最强透射波在730 μs达到背板,强度为273 MPa.厚度增加到10 mm后,背板在应力波重复4次加载后才有微弱透射波,1 500 μs时透射波达到最大值170 MPa.泡沫铝厚度为15 mm时,传递到背板的最大透射波强度为147 MPa,时间延缓至2 600 μs.因此,随着泡沫铝厚度的增加,传递到背板上的透射波时间明显增加且强度大大降低。分析认为,随着夹层厚度的增加,泡沫铝压实需要的冲击力越大,消耗的应力波能量越多,这使得最终传递到背板上的应力波强度减小。另一方面,当泡沫铝厚度从5 mm增加到15 mm时,压实所需的时间也在增加,波阻抗增大过程变缓,导致应力波在界面处的反射、透射次数增加,因此一定强度的应力波最终到达背板的时间越长,强度也随之减小。

2.2 泡沫铝及其复合结构作为面板时对应力波传播的影响

将尺寸均为φ14.5 mm×10 mm的泡沫铝、5210铝板以及泡沫铝-铝板复合结构分别作为3种面板置于输入杆前端,作为面板,采用子弹冲击,研究泡沫铝及其复合结构的应力波防护能力。子弹产生的应力波经不同面板材料作用后传递到输入杆的应力-时间曲线如图5所示。

图4 泡沫铝夹层厚度对应力波传播的影响Fig.4 Effect of the thickness of foam Al on stress wave propagation

图5 面板材料对应力-时间曲线的影响Fig.5 Effect of faceplate materials on stress-time curves

由图5可知,输入杆前端放置各种材料后,应力波的应力幅值及脉冲宽度均得到一定程度的改变,具体数值如表1所示。泡沫铝单独作面板时,应力波的加载形式由原来的矩形转变为三角形,上升沿时间增加到140 μs,占整体加载时间的2/3,最大应力幅值由原来的598 MPa减小到398 MPa.等厚度的铝板作面板时,应力波的脉冲宽度加宽,最大应力幅值减小到268 MPa.对比泡沫铝与铝板对应力波传播的影响,发现泡沫铝可以大幅度地延长应力波上升沿时间,但传递到被保护物体的应力值仍然较高。这是因为泡沫铝在冲击载荷加载下发生大的塑形变形,压实应变可以达到0.6,该过程中吸收大量能量,因此传递到输入杆的应力波上升缓慢。但由于应力波强度较大,泡沫铝迅速压实,压实过程中泡沫铝吸收的能量低于加载应力波的能量,所以经泡沫铝作用后传递到输入杆的应力值较高,并略大于铝板传递的应力。

表1 不同面板材料所对应的应力波幅值、脉冲宽度及能量衰减系数Tab.1 Stress wave intensity,pulse width and energyattenuation coefficients

泡沫铝与铝板的复合结构综合了2种材料的优点。加载初期应力波以较慢的上升速率达到一相对较小的应力幅值,保持一段时间后卸载。与同厚度泡沫铝相比,经复合结构作用后最大应力幅值大大减小;与同厚度铝板相比,应力波的上升沿得到明显改善。对比铝板+泡沫铝与铝板+泡沫铝+铝板2种复合结构对应力波传播的影响,发现这2种复合结构对应力波传播的影响区别不大。

材料对应力波的防护能力可用应力波能量衰减系数μc表示,即一定能量的应力波EI正面通过被测材料后,应力波能量的衰减值与初始能量的比值。利用改装的SHPB装置测试材料对应力波的衰减系数,如(4)式～(6)式所示。

式中:EI为加载应力波的能量;ET为应力波通过被测材料后传递到输入杆上的能量;ΔE为材料吸收的能量;ρb、Ab、Eb分别为压杆材料的密度、横截面积、弹性模量;l、v分别为子弹长度、冲击速度;x是应力波传播的位移,大小等于传播速度与时间的乘积; ε(x)是应变。

分别计算出泡沫铝、铝板、泡沫铝-铝板复合结构的应力波衰减系数μc,结果如表1所示。4种面板均起到良好降低应力波能量的作用,其中以铝板-泡沫铝-铝板复合结构的效果最佳。综合评价4种防护材料,以泡沫铝为代表的泡沫金属与其他金属的复合结构不但改善应力波的加载方式,缩短高强度冲击载荷的作用时间,吸收大量应力波能量,还大大减轻了装置质量。在目前各种结构迫切需求减轻质量的大背景下,泡沫金属复合结构是一种防护性能较好的材料。

分别选择不同厚度的泡沫铝与铝板组成复合结构,将其置于输入杆前端,分析泡沫铝与铝板的厚度组合对应力波防护能力的影响。图6反映了增加铝板+泡沫铝复合结构中泡沫铝的厚度后,输入杆上应力-时间曲线的变化。由图可知,当铝板厚度一定时,增加泡沫铝的厚度,应力波的上升沿时间延长、上升斜率变小,最大应力幅值减小,但脉冲宽度变化不大。产生这种现象的原因是应力波的上升沿时间和上升速率主要由压实之前的泡沫铝决定,随着厚度增加,泡沫铝压实所需的冲击力越大、时间越久,在此过程中吸收的能量越多,传递到输出杆上的应力幅值减小,上升沿速率也随之减小。

图6 铝板+泡沫铝复合结构中泡沫铝厚度对应力波传播的影响Fig.6 Effect of the thickness of the foam aluminum in foam aluminum-Al composite structure on stress wave propagation

图7反映了铝板+泡沫铝复合结构中,铝板厚度对应力波防护能力的影响。由图7可知,铝板从1 mm增加到3 mm后,应力波的应力-时间曲线重合较好,最大应力幅值、脉冲宽度及上升沿都没有明显变化。分析原因,当泡沫铝厚度一定时,经不同复合结构作用后,传递到输入杆的应力波最大应力幅值主要受铝板强度的影响,而铝板强度与试样厚度几乎没有关系;上升沿情况是由泡沫铝的厚度决定,泡沫铝厚度一定时,上升沿变化不大。综合以上结果可知,铝板+泡沫铝复合结构中,铝板厚度大小对应力波传播影响较小。

图7 铝板+泡沫铝复合结构中铝板厚度对应力波传播的影响Fig.7 Effect of the thickness of Al in foam aluminum-Alcomposite structure on stress wave propagation

将3种不同相对密度泡沫铝的铝板+泡沫铝复合结构置于输入杆前端,研究泡沫铝相对密度对材料应力波防护能力的影响,结果如图8所示。由图8可知,泡沫铝相对密度从0.166增加到0.220后,传递到输入杆上的应力波幅值降低,上升沿斜率变缓,高强度应力波作用时间减小。这是因为随着相对密度的增加,泡沫铝承载的屈服强度、平台应力升高,压实过程中吸收应力波能量也随之增大,如图9所示。田杰[5]通过数值模拟不同相对密度的泡沫铝中应力波的衰减规律,同样得到高密度泡沫铝的冲击衰减系数比低密度泡沫铝的大。因此,输入杆上的应力幅值降低,应力波的上升沿上升缓慢。此外,泡沫铝相对密度对应力波的脉冲宽度和上升沿时间影响较小。

图8 相对密度对泡沫铝复合结构应力波传播特性的影响Fig.8 Effect of the relative density of foam aluminum on stress wave propagation

图9 相对密度对泡沫铝复合结构吸能量的影响Fig.9 Effect of the relative density of foam aluminum on energy absorption

3 结论

采用传统和改进的SHPB装置对泡沫铝及其复合结构的应力波防护性能进行研究,结果表明:

1)泡沫铝作夹层时,可使入射波分多次传入背板,延缓了应力波到达时间,减小了每次传递到背板的应力波强度,缩短了高强度应力波的作用时间,降低了材料因受强冲击载荷作用提前破坏的可能性。随着泡沫铝厚度增加,应力波衰减作用逐渐明显。

2)铝板+泡沫铝复合结构作为面板时,综合了泡沫铝与铝板二者的优点,应力波上升缓慢,最大应力幅值减小,同时吸收大量能量,对后面结构起到充分的保护作用。

3)铝板+泡沫铝复合结构作为面板时,增加泡沫铝厚度,应力波的上升沿时间延长、斜率减小,应力幅值减小,但脉冲宽度变化不大;增加铝板厚度,对应力波传播影响较小。

4)增加铝板+泡沫铝复合结构中泡沫铝的相对密度,应力波的上升沿斜率减小,应力幅值降低,吸收应力波能量增加,但应力波的上升沿时间和加载宽度变化较小。

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Research on Protective Performance of Foam Aluminum Composite Structure against Stress Wave

YANG Dong-li1,WANG Lin1,YANG Jie2,ZHAO Deng-hui1
(1.School of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;
2.Test Center,the First Research Institute of Ministry of Public Security,Beijing 100048,China)

The protective performance of foam aluminum-Al composite structures with different densities and thicknesses are investigated with conventional and improved split Hopkinson pressure bars(SHPB). The experimental results demonstrate that,when foam Aluminum is used as interlayer,the primary stress wave is divided into several stress waves.The time of stress wave arriving at a back plate is postponed, and the wave intensity decreases.The impact of stress wave decreases more clearly with the increase in thickness of interlayer.When foam aluminum-Al composite structure is used as faceplate,the pulse width broadens,the rising edge is improved,and the wave intensity reduces.At the same time,the foam aluminum-Al composite structures can absorb a large part of impact energy,which can be served as stress wave protective material.With the increase in thickness and relative density of the foam aluminum,the wave shaping effect is more significant.The wave intensity reduces,the rising slop becomes flat,however the stress wave pulse changes little.The influence of Al plate thickness on composite structure can be ignored.

metallic material;foam Aluminum composite structure;stress wave protective performance; relative density

TG146.2

:A

1000-1093(2014)01-0096-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.01.014

2013-03-11

杨冬丽(1986—),女,硕士研究生。E-mail:yldzxf621@163.com;

王琳(1971—),女,副教授,博士。E-mail:lindawang_bit@bit.edu.cn