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程序對泡沫鋁-鋼層合板的變形情況進行數值模擬，驗證了泡沫鋁-鋼層合板具有良好的緩沖吸能特性，結果表明，在沖擊波作用下，層合板產生較大的塑性變形，從而吸收轉化了部分沖擊波能量。最后，給出了泡沫鋁-鋼層合板的吸能機理。

關鍵詞：沖擊波；泡沫鋁-鋼層合板；數值模擬

目前，常規武器對戰場上防護掩體的殺傷手段主要有航炮彈、鉆地彈、鉆爆彈等，它們主要是通過破壞防御工事來達到殺傷內部人員的目的，但隨著科技的發展，戰場上爆炸產生的強沖擊波已成為殺傷人員的重要手段之一，即便是弱沖擊波，也可以對防護掩體內部人員造成很大的傷害。因此，為了有效的防護沖擊波毀傷，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及沖擊波衰減材料。為了驗證沖擊波作用下層合板的緩沖吸能特性，本文利用ANSYS/LS-DYNA程序對泡沫鋁-鋼層合板的變形情況進行數值模擬。

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的長條形炸藥。在炸藥上端采用線起爆方式，模擬分析層合板對爆炸沖擊波能的吸收情況。模型如圖1所示。

二、模擬結果及分析

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，胞壁在不斷的自上而下崩塌，是一種分層壓實的變形機制。彈性階段，壓應力很小，試件受壓產生彈性變形，泡沫鋁處于線性彈性形變范圍，胞壁經受彈性形變的過程；塑性平臺區主要反映了泡沫鋁孔結構被壓垮屈曲的過程，在此階段，由于壓力的增加，有個別孔壁首先被壓垮，其所在層面上的其余胞壁產生應力集中，導致整層胞孔被壓垮。而致密區則反映泡沫鋁被壓實后的變形過程，試件中的胞孔全部被壓垮，壓實，孔壁基本材料的應力-應變特性開始出現，導致應力急劇增加。

2、泡沫鋁中心單元的位移時程曲線。泡沫鋁中心單元的位移時程曲線如圖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，當爆轟波傳遞到泡沫鋁單元時，泡沫鋁的上層單元也發生塑性變形，隨著應力的急劇增加，單元1801的位移也迅速增大，變形持續整個過程，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還處于平臺屈服階段，此時的爆轟波能量已經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生大的塑性變形。

3、鋼板單元的壓應力時程曲線。

圖6顯示上部鋼板應力值比較大，達到5.8GPa，而且在剛開始的40ms內，鋼板的壓應力值出現多次波動。隨著爆轟波的繼續傳播，上部鋼板的壓應力值也逐漸衰減。圖7表明下部鋼板的壓應力值比較小，約是上部鋼板壓應力值的0.15%，且在爆炸過后的70ms內應力幾乎沒有變化，在最后的50ms內壓應力也是增加緩慢。由此可以得到，泡沫鋁在中間層發揮了良好的吸能作用。

三、泡沫鋁-鋼層合板的吸能機理

層合板的吸能效能分別由鋼板和泡沫鋁承擔，因此可以得出層合板的吸能機理為：首先，鋼板發生塑性變形吸收部分能量；接著泡沫鋁發生塑性形變，泡沫鋁孔壁在變形過程中相互摩擦時，能量轉化為內能，泡沫鋁中有空氣，空氣在沖擊波作用下絕熱壓縮，這就導致沖擊波的能量在傳播過程中部分被耗散，剩余部分向前傳播；因為有了第二層鋼板的存在，利用其剛度大的特性，在剩余沖擊能量透射過程中，降低了內層層裂產生的破壞效應。

四、結語

本文利用ANSYS/LS-DYNA程序，對泡沫鋁-鋼層合板在沖擊波作用下的變形情況進行數值模擬，驗證了泡沫鋁-鋼層合板具有良好的緩沖吸能特性。結果表明，在沖擊波作用下，層合板產生較大的塑性變形，從而吸收轉化了部分沖擊波能量。最后，給出了泡沫鋁-鋼層合板的吸能機理。這些機理導致沖擊波的能量在傳播過程中被耗散，只有較少部分向前傳播，應力越高，變形越大，吸收的能量越高。

參考文獻

[1] 呂洪生，曾新吾編著，連續介質力學（中冊）流體力學與爆炸力學[M]，長沙：國防科技大學出版社，1999.

[2] 李斌潮，趙桂平，盧天健，閉孔泡沫鋁低速沖擊防護的臨界條件與優化設計[D]，固體力學學報，2011.

[3] 陳成軍，謝若澤，張方舉，內部填充泡沫鋁的柱殼力學響應數值模擬[D]，爆炸與沖擊，2011.