多孔金屬夾芯結構的抗爆性能研究

郭雨晨，趙桂平

(1.西安交通大學 航天航空學院，西安 710049)(2.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，西安 710049)

0 引 言

多孔金屬夾芯結構具有低密度、高比剛度、高比強度、優異的吸能特性等特點，已被廣泛應用于航空、車輛、航海、軍工以及其他領域。近年來，由于恐怖主義的蔓延，對這種復合結構抗爆性能的研究需求日趨迫切，尤其是在航空領域，由于飛行器的特殊性，爆炸防護顯得尤為重要。

國內外已對金屬面板夾金屬泡沫芯的復合夾芯結構進行了實驗、理論和數值研究[1-6]。但是由于加工技術的限制、金屬泡沫結構的缺陷(例如胞壁的彎曲、皺褶及不均勻的質量分布等)，會導致結構具有低劣的力學性能[7-8]。而由金屬空心小球組成的結構則代表了一種新型多孔材料類型[9]。O.Friedl等[9]對某種金屬空心小球進行了密度效應和拉伸壓縮變形行為的實驗研究；J.Fan等[10]針對隨機排列金屬空心小球和梯度變化金屬空心小球結構提出了三種3D模型，并進行了相應的數值模擬以研究其壓縮性能。目前，關于這種空心小球夾芯結構的能量吸收效果及抗爆性能的研究仍鮮有報道。

本文通過實驗和有限元模擬，研究金屬空心小球和泡沫鋁兩種夾芯結構在爆炸載荷作用下的動力響應與能量吸收機理，并分析不同參量下夾芯結構抗爆性能的變化規律。

1 實驗研究

為了比較金屬空心小球夾芯結構與泡沫鋁夾芯結構的抗爆性能，分別對金屬空心小球夾芯球殼和泡沫鋁夾芯球殼在爆炸載荷作用下的動力響應進行實驗研究，并對結構的變形破壞模式進行分析。

1.1 試 件

實驗測試兩個金屬空心小球夾芯球殼和兩個泡沫鋁夾芯球殼的抗爆性能。每個試件由經法蘭連接在一起的兩個半球球殼組成，每個半球球殼由內外面板和芯層三部分組成，如圖1～圖2所示。內外面板均為A3鋼制成，泡沫鋁的相對密度為16%，金屬空心小球材料為AISI304不銹鋼。內面板內直徑250 mm，厚度1 mm；外面板內直徑316 mm，厚度1 mm，金屬空心小球內直徑31 mm，厚度0.5 mm。所有的金屬空心小球均用熱熔膠與內外面板黏接。實驗中，炸藥被固定在試件的正中心，即球心。

圖1 泡沫鋁夾芯球殼

圖2 金屬空心小球球殼

1.2 實驗結果

1.2.1 泡沫鋁夾芯球殼

試件1為泡沫鋁夾芯球殼，承受18 gTNT的爆炸載荷。實驗后的試件1如圖3所示，可以看出：試件1被完全炸開分成兩個半球殼，但是其主體部分并沒有發生明顯變形，僅法蘭與螺栓連接部位出現了很大的塑性變形，表明法蘭連接部位是薄弱環節。因此，對其他試件的法蘭作了加強處理，寬度由最初的30 mm增加至60 mm，厚度也由2 mm增加至6 mm。

圖3 試件1實驗結果圖

試件2也是泡沫鋁夾芯球殼，其承受115 gTNT的極大爆炸載荷。實驗結果顯示，球殼主體各自分開，內面板裂成若干碎片，泡沫鋁芯體被壓縮進入密實階段并被炸成若干小塊，外面板與法蘭直接從焊接部位分離。

1.2.2 金屬小球夾芯球殼

試件3為金屬空心小球夾芯球殼，承受18 gTNT的爆炸載荷。實驗后的試件3如圖4所示，可以看出：試件3內面板出現規則的凹陷變形，金屬空心小球發生明顯坍塌，外面板沒有明顯變形。

圖4 試件3內面板實驗結果圖

試件4亦為金屬空心小球夾芯球殼，其承受60 gTNT的爆炸載荷。實驗結果顯示，內面板發生嚴重破壞，空心小球大部分出現很大的坍塌變形，一部分已被壓成扁狀，外面板內側與小球接觸的部位有明顯凹痕但是外側無明顯變形，整個球殼完好。

從金屬空心小球夾芯球殼和泡沫鋁夾芯球殼在不同爆炸載荷作用下的抗爆性能實驗可以看出：金屬空心小球夾芯結構作為抗爆吸能結構有很大的潛力，金屬空心小球可以增加整個結構抵抗爆炸載荷的強度，同時其壓縮變形也可以很好地吸能減震。

2 有限元模擬

為了更深入地研究芯層梯度等參數對夾芯結構抗爆性能的影響，通過有限元模擬方法對金屬空心小球夾芯結構的性能進行對比分析。

2.1 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA和任意拉格朗日歐拉算法(ALE)模擬夾芯結構在爆炸載荷作用下的動力響應，建模中分別設置不同的參數來考慮面板厚度組合以及芯層梯度、小球排列方式、小球幾何尺寸等變量的影響，分析結構抗爆性能及能量吸收規律。

為了單一變量，每組參量研究中，炸藥質量、炸藥離夾芯結構的距離、結構幾何尺寸與質量均保持不變。

2.1.1 幾何模型

夾芯球殼內徑11.6 cm，外徑16.4 cm，內外面板厚度均為0.2 cm。TNT炸藥固定于夾芯球殼正中心。由于夾芯球殼的對稱性和出于方便計算考慮，有限元模型中僅建立二分之一對稱模型，如圖5所示。

圖5 金屬空心小球夾芯球殼模型圖

2.1.2 模型材料與接觸設置

面板采用雙線性隨動強化彈塑性材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC進行描述，密度(ρ)為7.85 g/cm3，楊氏模量(E)為210 GPa，泊松比(λ)為0.3，屈服強度(σ)為240 MPa。泡沫鋁采用蜂窩模型*MAT_HONEYCOMB，密度為0.531 9 g/cm3，楊氏模量為70 MPa，泊松比為0.285，應力應變曲線可參見文獻[11]。金屬空心小球采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型，密度為8.06 g/cm3，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為400 MPa。TNT炸藥采用高性能炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和狀態方程*EOS_JWL描述。空氣部分則用*MAT_NULL和線性多項式狀態方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL描述，具體參數可見文獻[3]。

實驗中，小球用熱熔膠黏接在內外面板之間，故有限元模型中，設定金屬空心小球理想連接在內外面板之間，不考慮摩擦效應。金屬空心小球與內外面板之間均為侵蝕面面接觸*CONTACT_ ERODING_ SURFACE _TO_SURFACE模型，小球之間選用自動面面接觸*CONTACT_ AUTOMATIC_ SURFACE_ TO _ SURFACE模型。

2.2 有限元結果與分析

2.2.1 面板厚度組合

為了研究不同面板厚度組合方式對結構抗爆性能的影響，分析五種不同面板厚度組合夾芯球殼在20 g炸藥下的動力響應。五種組合方式的面板總厚度均為4 mm，為了簡化標記，用內面板厚度+外面板厚度代表每一種組合方式，例如0.4+3.6代表內面板厚度為0.4 mm、外面板厚度為3.6 mm的夾芯球殼。

球殼外面板的位移時程圖和夾芯球殼各部分吸能圖如圖6～圖7所示。

圖6 不同面板厚度夾芯球殼外面板位移時程圖

圖7 不同面板厚度夾芯球殼各部分吸能情況

從圖6～圖7可以看出：隨著內面板厚度逐漸增加，外面板的位移逐漸減小，這是由于面板強度和剛度均比芯層大，較厚的內面板最先受到沖擊，可以更好地緩沖爆炸載荷，但是厚內面板承受了大部分能量，芯層未充分變形從而發揮作用；隨著內面板厚度逐漸增加，夾芯球殼整體吸能減少，而且芯層吸能所占百分比大幅減少。

2.2.2 芯層材料

模擬比較金屬空心小球夾芯球殼與泡沫鋁夾芯球殼在50 gTNT載荷下的動態響應。

兩種夾芯球殼外面板的位移時程圖與吸能圖如圖8～圖9所示。

圖8 不同芯層的夾芯球殼外面板位移時程圖

圖9 不同芯層的夾芯球殼各部分吸能情況

從圖8～圖9可以看出：小球夾芯球殼抵抗變形的能力與吸能性能均劣于泡沫鋁夾芯球殼，泡沫鋁夾芯球殼的內面板已經被劇烈破壞但是小球夾芯球殼的內面板仍然完好。這是由于泡沫鋁夾芯球殼內面板破裂，泡沫鋁夾芯承受了較大的載荷壓縮變形，外面板所受的沖擊較小；而空心小球的剛度比泡沫鋁高，變形沒有泡沫鋁大，空心小球夾芯球殼的吸能主要靠內面板，夾芯和外面板均僅吸收小部分能量。

作為傳統的多功能材料，泡沫鋁已被深入地研究且廣泛地應用于眾多行業。金屬空心小球作為一種新型的多孔材料因其可設計性與成熟的加工工藝也得到了越來越多的關注。金屬空心小球夾芯結構強度更高，但是泡沫鋁夾芯結構具有更好的抗爆吸能的特性。

2.2.3 芯層梯度

為了簡便計算，芯層為多層金屬空心小球的夾芯結構選用夾芯平板來研究。

夾芯板長寬均為12 cm，厚3.4 cm，其中上下面板均厚0.2 cm。夾芯板四周固支，TNT炸藥固定于距夾芯板上面板4 cm處。由于結構和載荷的對稱性，有限元模型中僅建立四分之一對稱模型，如圖10所示。

圖10 金屬空心小球夾芯板模型圖

夾芯結構的芯層梯度變化通過保持小球外徑不變而改變小球壁厚達到，如圖11～圖12所示，正梯度夾芯板的小球壁厚沿沖擊方向增加，負梯度板則相反，均勻芯夾芯板的小球壁厚不變。

圖11 正梯度夾芯板

圖12 負梯度夾芯板

在20 g炸藥量下三種夾芯板后面板中心點位移與各部分吸能情況如圖13～圖14所示。

圖13 不同梯度夾芯板后面板中心點位移時程圖

圖14 不同梯度夾芯板各部分吸能情況

從圖13可以看出：三條位移曲線均在220 μs左右到達峰值然后衰減波動，其中負梯度芯夾芯板中心點位移始終最小，均勻芯其次，正梯度芯夾芯板中心點位移最大。

從圖14可以看出：負梯度夾芯板整體吸能最多，正梯度其次，均勻芯最少；同時負梯度的三層夾芯小球吸收了幾乎相同的能量，可以更好地利用芯層吸能。

2.2.4 芯層小球排列方式

考慮兩種金屬空心小球的排列方式——并列型與交錯型，分別如圖15～圖16所示。

圖15 并列型夾芯

圖16 交錯型夾芯

在20 g炸藥量下兩種不同排列方式夾芯板的位移與吸能結果如圖17～圖18所示，可以看出：并列型夾芯板比交錯型夾芯板的變形更小，且能吸收更多的能量。

圖17 不同芯層排列方式夾芯板后面板中心點位移時程圖

圖18 不同芯層排列方式夾芯板各部分吸能情況

2.2.5 空心小球半徑

保持芯層總厚度不變，分別考慮空心小球分別為3、4、5層的情況。為了使芯層質量相同，空心小球內外徑同時改變，其中3層時內外徑為8.5、10 mm，4層時內外徑為6.375、7.5 mm，5層時內外徑為5.1、6 mm，即芯層的層數越多，小球的內外徑與厚度越小。

在20 g炸藥量下三種不同半徑小球夾芯板的位移與吸能結果如圖19～圖20所示。

圖19 不同小球半徑夾芯板后面板中心點位移時程圖

圖20 不同小球半徑夾芯板各部分吸能情況

從圖19～圖20可以看出：3層夾芯板的后面板位移峰值比4層夾芯板多17%，比5層夾芯板多40%；三種夾芯板的整體吸能數值沒有很大差異，但是3、4、5層夾芯板的芯層吸能占比分別為82%、92%、95%，即隨著小球半徑的減小，芯層吸能占比逐漸增大。

3 結 論

(1) 金屬空心小球夾芯結構作為抗爆吸能結構是可行的，其薄弱環節(例如焊接部位)極大地限制了結構的強度與吸能性能，因此在實際應用中應對這些連接部位作加強處理。

(2) 在結構幾何尺寸與質量相同時，內面板厚外面板薄的夾芯結構具有更好的抗變形能力，而內面板薄外面板厚的夾芯板則具有更好的吸能特性。

(3) 小球夾芯結構的整體強度更高，而泡沫鋁夾芯結構能更充分地發揮芯層的緩沖性能。

(4) 負梯度夾芯結構、并列型小球夾芯結構、小半徑小球夾芯結構展現出更好的抵抗爆炸載荷和吸收沖擊能量的性能。