爆炸冲击波与破片联合作用下泡沫夹芯板的毁伤特性研究*

蔡林刚 杜志鹏 李晓彬 张 磊 李 营

(海军研究院1) 北京 102401) (武汉理工大学交通学院2) 武汉 430063)

0 引 言

多孔金属具有质量轻，高效吸能等优点，常被用作船舶、飞机、汽车等结构的耗能元件，也被用在爆炸冲击防护领域[1].泡沫金属夹芯板是由金属面板、背板及中间的轻质泡沫金属夹芯组成，具有较好的比刚度，其抗动载荷的良好性能引起了学者的广泛关注.爆炸作用中，不仅会产生爆炸冲击波，也会产生爆炸破片或次生破片[2-3].泡沫铝夹芯板在实际使用过程中，不仅面临爆炸冲击波的威胁，也遭受爆炸破片的考验.研究泡沫铝夹芯板在冲击波与破片联合作用下的毁伤特性对于泡沫防护结构设计具有重要意义.

学者对泡沫铝夹层结构的抗强动载能力高度重视，开展了大量研究工作.Ivaez等[4]开展了泡沫夹层结构在弹体侵彻下动态响应的数值仿真研究，结果表明数值仿真能有效模拟泡沫夹心结构的抗侵彻特性.Li等[5]研究了泡沫铝夹心壳体在空中爆炸作用下的能量吸收，结果表明:壳体曲率影响抗爆性能.Langdon等[6]分析了不同密度、不同面板厚度泡沫铝夹心在空爆载荷作用下的失效特性，研究指出面板厚度显著影响芯层破坏效果；Radford等[7-8]分析了泡沫铝弹体撞击模拟局部爆炸载荷的方法，并研究了局部高强冲击载荷作用下泡沫铝夹芯板的变形.研究主要针对爆炸载荷作用下泡沫铝夹芯板的动态响应和毁伤模式，对爆炸冲击波与破片群联合作用下的响应规律和毁伤模式关注不够.

本文设计了泡沫铝靶板实验装置，通过爆炸驱动预制破片的方式实现了爆炸冲击波和破片群联合作用于泡沫铝靶板，分析了面板、泡沫铝芯层和背板的破坏模式和前后靶板的整体变形，分析了背板花瓣型开裂的过程和机理.

1 实验研究

1.1 实验装置

边界条件对爆炸载荷作用下板的响应有十分重要的影响.为了避免产生较大的面内拉伸，将靶板夹持在底座与盖板之间，并用24个直径18 mm的螺栓固定.底部基座采用Q345R制作，高度为300 mm.实验装置示意图见图1.靶板为600 mm×600 mm，有效抗爆面积为400 mm×400 mm.

为模拟爆炸冲击波与破片联合作用，采用TNT装药驱动预制破片的加载方法.预制破片采用2 mm Q235钢板线切割加工而成，单颗破片的尺寸为5 mm×5 mm×2 mm，质量约0.35 g，采用透明胶带将密集排布的破片粘贴在TNT药柱底面.装药采用8号雷管从柱状装药顶端引爆.通过悬垂的方式将装药置于目标靶板正上方.

图1 实验装置及试样

1.2 试样

实验模型为1 mm+10 mm+1 mm的泡沫铝夹层板.面板为3003铝，其材料参数为：密度2.7 g/mm3，弹性模量72.1 GPa，泊松比0.33，屈服强度120 MPa.泡沫铝芯层为某新材料研究院生产的泡沫铝板材，泡沫铝层的材料为工业纯铝，孔隙率为84%，密度为0.92 g/mm3，杨氏模量为0.694 GPa，屈服强度为7.5 MPa.面板、芯层和背板使用环氧树脂胶粘连接.

1.3 试验工况

为了对比不同药量、不同爆炸距离对耦合毁伤效果的影响，分别开展了20 g装药和50装药的实验，对应的破片数量分别为17和21个，共开展了5组实验.具体工况见表1.

表1 试验工况

2 实验结果及分析

2.1 耦合载荷分析

装药发生爆炸时，爆炸冲击波与爆轰产物驱动飞片加速运动.破片速度近似于装药驱动平板，计算公式为

(1)

破片穿甲时间为

td=2b/(vi+vr)

(2)

式中：b为靶板厚度；vi，vr分别为入射速度和剩余速度.

球形爆炸作用下，板架结构获得冲击动能为

(3)

式中：a，b，ht分别为结构的长、宽、厚；ρ为结构材料密度；Ai为与装药有关的系数，对于TNT一般取200～250；Q为装药量；r为距爆炸中心的距离.

冲击波正压作用时间为

(4)

根据式(1)计算得到爆炸驱动破片的动能为48.47 kJ，根据式(3)得到爆炸冲击波对泡沫铝夹芯板的动能为0.319 kJ.可以看出，爆炸破片群动能远大于泡沫铝由冲击波得到的动能. 在较近距离以内，冲击波先于破片作用于结构物.根据式(4)计算得到冲击波正压作用时间约为0.16 ms.冲击波与破片到达的时间间隔为Δt，Δt+tdt+，说明本文实验中爆炸冲击波与破片将产生叠加作用.

2.2 变形及失效模式

2.2.1面板破坏模式

前板中心区域有一定的灼烧痕迹，出现发黑甚至有黑色斑点残留在面板上，这是由于炸药爆炸初期产生的高温爆轰产物引起的.从破坏模式来看，由于炸药当量相对较少，前板并未发生较为明显的大区域塑性变形，主要为分布式的穿甲孔，且穿孔直径较小，与破片尺寸相当.从破坏形态来看主要分两种：

1) 未出现明显的穿孔连接，见图2.各穿甲孔相对分散，相距一定的距离.不同破片对面板的局部侵彻作用没有耦合效果.图2a)、图2b)面板中心区域局部凹陷不明显，图2c)面板中心区域有局部凹陷.

2) 破片穿孔连接成裂纹，见图3.破片群形成距离较近的穿孔，面板在破片侵彻及爆炸冲击波共同作用下运动，局部面内拉伸，将破片穿孔连接，形成局部贯穿裂纹.图3a)形成了一处贯穿裂纹，而图3b)则由于破片数量增多及局部爆炸冲击波载荷变大，形成了3处较为明显的贯穿裂纹.

图2 破片未连接成裂纹

图3 破片穿孔连接成裂纹

图4为破片穿孔直径与爆炸距离的关系.工况1～工况5的弹孔分布直径分别为199.2，163.2，345.6，178.8和130.8 mm，同等装药下，靶板离TNT的距离越远，破片作用区域的直径越大，且同一装药下近似呈线性关系.

图4 破片穿孔直径与爆炸距离的关系

2.2.2芯层的变形及失效

不同爆炸当量和不同距离空中爆炸冲击波与高速破片联合作用下，泡沫铝夹芯板芯层的破坏模式不同，总体来说呈现出渐进的特点.当爆炸当量较小，距离较远时，芯层破坏并未连成整体；随着距离的变小，除了部分剥落以外，还发生芯层与面板脱开，芯层内部出现裂缝，见图5a)～b).

当药量较大时(50 g)，随着距离变小，破片密集作用区域的泡沫铝材料连成一体，芯层剥落的面积逐渐变大.破片侵彻过程中首先压缩芯层泡沫铝材料，压缩产生的冲击波载荷在芯层泡沫铝中传播，带动泡沫铝凿块运动，见图5c)～e).距离较近的破片形成的冲击波会相互作用，促进泡沫铝凿块的连接，并最终形成片状剥离.

爆炸冲击波与高速破片联合作用下泡沫铝夹芯板芯层存在局部穿孔、芯层剪切、芯层与后面板界面失效等破坏模式.

图5 芯层的破坏模式

2.2.3背板的变形及失效

图6为背板变形和失效模式.从整体看，当药量较小，距离较远时，破片群耦合作用效果并不明显，背板有多个局部穿甲孔，但穿孔并未发生连接.随着装药量变大，爆炸距离越近，背板中心处呈现较大花瓣状破口，且随着爆炸距离的增大，破口面积逐渐变大.

图6 背板的变形和失效模式

从局部看：背板局部穿孔直径明显大于面板，当破片穿孔靠近夹芯板中心区域时，破片呈现正穿甲特点；当破片穿孔距离中心区域较远时，呈现明显的斜穿甲特点；当破片穿孔距离较近时，穿孔与穿孔会发生贯穿，形成略大的复合孔洞.

泡沫铝夹芯板的背板与面板失效模式有较大差异.面板仅出现局部小穿孔，而背板不仅穿孔直径明显变大，且出现了蜂窝状孔群和背板花瓣开裂两种不同破坏模式.

2.3 靶板的整体变形

使用精度为0.1 mm的手持式激光扫描仪对爆炸变形后的泡沫夹芯板进行整体变形测量，得到面板和背板的变形，并通过后处理软件切割相应的面，得到中心线的变形.工况3～5的面板变形见图7.由图7可知，随着爆炸距离的增大，面板的中点塑性变形明显变大：当破片底部距泡沫铝夹芯板200 mm时，面板中点最大变形为3.1 mm；当破片底部距泡沫铝夹芯板100 mm时，面板中点最大变形为4.9 mm；当破片底部距离泡沫铝夹芯板50 mm时，面板的中点变形约为10.8 mm.面板的变形与均质靶板在爆炸冲击作用下的变形模式有一定的差异，虽然各工况均为中点处变形最大，但并未非距离中心越近的点，变形越大.说明破片及应力波在靶板内传播过程对泡沫铝夹芯板面板的最终变形有一定的影响.

图8为不同爆炸当量作用下的背板中心线变形.工况4～5中，背板在距离边缘约100 mm处有凹陷，结合图6，分析原因为芯层与背板胶接失效.爆炸距离较远的工况3则没有发生此类变形.背板中心区域的整体变形也随着破片底部距离泡沫铝夹芯板的距离变小而明显增大.

图7 面板的整体变形

图8 背板的整体变形

3 背板中心花瓣破口的机理分析

研究表明，利用泡沫铝屈服平台和动态崩溃的原理，泡沫铝在冲击作用下碎裂崩溃可以看成局部小型爆炸冲击，利用这一原理采用泡沫子弹撞击的方式模拟局部爆炸冲击作用.利用此原理，破片侵彻面板后压缩泡沫铝芯层，会在泡沫铝中形成固体冲击波，产生类似小型爆炸的作用.当破片距离较近时，泡沫铝芯层中的冲击波会彼此叠加，形成类似较大当量爆炸作用.此时，背板在冲量作用下发生中心拉伸撕裂、翻转并最终形成类似接触爆炸产生的花瓣破口.过程示意图见图9，可以简单分为四个步骤：①步骤1，高速破片几乎同时撞击面板，随后侵彻面板；②步骤2，破片与面板充塞块共同在泡沫铝芯层中减速运动，并压缩泡沫铝，不同破片分别各自压缩泡沫铝形成固体冲击波；③步骤3，不同破片形成的冲击波在泡沫铝芯层中汇聚，并作用于背板，背板在冲击波作用下发生塑性变形；④步骤4，背板在冲击波作用下发生撕裂，与芯层发生脱胶，背板向后翻转形成花瓣状破口，破片与充塞块组合体飞出泡沫铝夹芯板.

泡沫铝夹芯板在爆炸冲击波与破片群作用下，尤其当破片群较为密集时，背板容易发生拉伸破坏并最终形成花瓣状破口.说明泡沫铝夹芯板作为防护材料，背板宜选用抗拉性能较好的材料，如芳纶纤维等纤维增强复合材料.

图9 背板中心花瓣形成过程示意图

4 结 论

1) 装药驱动预制破片是一种产生爆炸冲击波和破片群联合载荷的有效方法，能够对结构形成有效杀伤.

2) 泡沫铝夹芯板在爆炸冲击波与破片群联合作用下产生多种破坏模式，其中泡沫铝夹芯板芯层存在局部穿孔、芯层剪切、芯层与后面板的界面失效等破坏模式，背板蜂窝状孔群和花瓣开裂等不同模式.

3) 在破片群较为密集的情况下，泡沫夹芯板背板中心易产生类似于局部接触爆炸作用时的花瓣开裂，宜选用抗拉性能较好的材料.