爆炸沖擊波與破片聯合作用下泡沫夾芯板的毀傷特性研究*

蔡林剛 杜志鵬 李曉彬 張 磊 李 營

(海軍研究院1) 北京 102401) (武漢理工大學交通學院2) 武漢 430063)

0 引 言

多孔金屬具有質量輕，高效吸能等優點，常被用作船舶、飛機、汽車等結構的耗能元件，也被用在爆炸沖擊防護領域[1].泡沫金屬夾芯板是由金屬面板、背板及中間的輕質泡沫金屬夾芯組成，具有較好的比剛度，其抗動載荷的良好性能引起了學者的廣泛關注.爆炸作用中，不僅會產生爆炸沖擊波，也會產生爆炸破片或次生破片[2-3].泡沫鋁夾芯板在實際使用過程中，不僅面臨爆炸沖擊波的威脅，也遭受爆炸破片的考驗.研究泡沫鋁夾芯板在沖擊波與破片聯合作用下的毀傷特性對于泡沫防護結構設計具有重要意義.

學者對泡沫鋁夾層結構的抗強動載能力高度重視，開展了大量研究工作.Ivaez等[4]開展了泡沫夾層結構在彈體侵徹下動態響應的數值仿真研究，結果表明數值仿真能有效模擬泡沫夾心結構的抗侵徹特性.Li等[5]研究了泡沫鋁夾心殼體在空中爆炸作用下的能量吸收，結果表明:殼體曲率影響抗爆性能.Langdon等[6]分析了不同密度、不同面板厚度泡沫鋁夾心在空爆載荷作用下的失效特性，研究指出面板厚度顯著影響芯層破壞效果；Radford等[7-8]分析了泡沫鋁彈體撞擊模擬局部爆炸載荷的方法，并研究了局部高強沖擊載荷作用下泡沫鋁夾芯板的變形.研究主要針對爆炸載荷作用下泡沫鋁夾芯板的動態響應和毀傷模式，對爆炸沖擊波與破片群聯合作用下的響應規律和毀傷模式關注不夠.

本文設計了泡沫鋁靶板實驗裝置，通過爆炸驅動預制破片的方式實現了爆炸沖擊波和破片群聯合作用于泡沫鋁靶板，分析了面板、泡沫鋁芯層和背板的破壞模式和前后靶板的整體變形，分析了背板花瓣型開裂的過程和機理.

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

邊界條件對爆炸載荷作用下板的響應有十分重要的影響.為了避免產生較大的面內拉伸，將靶板夾持在底座與蓋板之間，并用24個直徑18 mm的螺栓固定.底部基座采用Q345R制作，高度為300 mm.實驗裝置示意圖見圖1.靶板為600 mm×600 mm，有效抗爆面積為400 mm×400 mm.

為模擬爆炸沖擊波與破片聯合作用，采用TNT裝藥驅動預制破片的加載方法.預制破片采用2 mm Q235鋼板線切割加工而成，單顆破片的尺寸為5 mm×5 mm×2 mm，質量約0.35 g，采用透明膠帶將密集排布的破片粘貼在TNT藥柱底面.裝藥采用8號雷管從柱狀裝藥頂端引爆.通過懸垂的方式將裝藥置于目標靶板正上方.

圖1 實驗裝置及試樣

1.2 試樣

實驗模型為1 mm+10 mm+1 mm的泡沫鋁夾層板.面板為3003鋁，其材料參數為：密度2.7 g/mm3，彈性模量72.1 GPa，泊松比0.33，屈服強度120 MPa.泡沫鋁芯層為某新材料研究院生產的泡沫鋁板材，泡沫鋁層的材料為工業純鋁，孔隙率為84%，密度為0.92 g/mm3，楊氏模量為0.694 GPa，屈服強度為7.5 MPa.面板、芯層和背板使用環氧樹脂膠粘連接.

1.3 試驗工況

為了對比不同藥量、不同爆炸距離對耦合毀傷效果的影響，分別開展了20 g裝藥和50裝藥的實驗，對應的破片數量分別為17和21個，共開展了5組實驗.具體工況見表1.

表1 試驗工況

2 實驗結果及分析

2.1 耦合載荷分析

裝藥發生爆炸時，爆炸沖擊波與爆轟產物驅動飛片加速運動.破片速度近似于裝藥驅動平板，計算公式為

(1)

破片穿甲時間為

td=2b/(vi+vr)

(2)

式中：b為靶板厚度；vi，vr分別為入射速度和剩余速度.

球形爆炸作用下，板架結構獲得沖擊動能為

(3)

式中：a，b，ht分別為結構的長、寬、厚；ρ為結構材料密度；Ai為與裝藥有關的系數，對于TNT一般取200～250；Q為裝藥量；r為距爆炸中心的距離.

沖擊波正壓作用時間為

(4)

根據式(1)計算得到爆炸驅動破片的動能為48.47 kJ，根據式(3)得到爆炸沖擊波對泡沫鋁夾芯板的動能為0.319 kJ.可以看出，爆炸破片群動能遠大于泡沫鋁由沖擊波得到的動能. 在較近距離以內，沖擊波先于破片作用于結構物.根據式(4)計算得到沖擊波正壓作用時間約為0.16 ms.沖擊波與破片到達的時間間隔為Δt，Δt+tdt+，說明本文實驗中爆炸沖擊波與破片將產生疊加作用.

2.2 變形及失效模式

2.2.1面板破壞模式

前板中心區域有一定的灼燒痕跡，出現發黑甚至有黑色斑點殘留在面板上，這是由于炸藥爆炸初期產生的高溫爆轟產物引起的.從破壞模式來看，由于炸藥當量相對較少，前板并未發生較為明顯的大區域塑性變形，主要為分布式的穿甲孔，且穿孔直徑較小，與破片尺寸相當.從破壞形態來看主要分兩種：

1) 未出現明顯的穿孔連接，見圖2.各穿甲孔相對分散，相距一定的距離.不同破片對面板的局部侵徹作用沒有耦合效果.圖2a)、圖2b)面板中心區域局部凹陷不明顯，圖2c)面板中心區域有局部凹陷.

2) 破片穿孔連接成裂紋，見圖3.破片群形成距離較近的穿孔，面板在破片侵徹及爆炸沖擊波共同作用下運動，局部面內拉伸，將破片穿孔連接，形成局部貫穿裂紋.圖3a)形成了一處貫穿裂紋，而圖3b)則由于破片數量增多及局部爆炸沖擊波載荷變大，形成了3處較為明顯的貫穿裂紋.

圖2 破片未連接成裂紋

圖3 破片穿孔連接成裂紋

圖4為破片穿孔直徑與爆炸距離的關系.工況1～工況5的彈孔分布直徑分別為199.2，163.2，345.6，178.8和130.8 mm，同等裝藥下，靶板離TNT的距離越遠，破片作用區域的直徑越大，且同一裝藥下近似呈線性關系.

圖4 破片穿孔直徑與爆炸距離的關系

2.2.2芯層的變形及失效

不同爆炸當量和不同距離空中爆炸沖擊波與高速破片聯合作用下，泡沫鋁夾芯板芯層的破壞模式不同，總體來說呈現出漸進的特點.當爆炸當量較小，距離較遠時，芯層破壞并未連成整體；隨著距離的變小，除了部分剝落以外，還發生芯層與面板脫開，芯層內部出現裂縫，見圖5a)～b).

當藥量較大時(50 g)，隨著距離變小，破片密集作用區域的泡沫鋁材料連成一體，芯層剝落的面積逐漸變大.破片侵徹過程中首先壓縮芯層泡沫鋁材料，壓縮產生的沖擊波載荷在芯層泡沫鋁中傳播，帶動泡沫鋁鑿塊運動，見圖5c)～e).距離較近的破片形成的沖擊波會相互作用，促進泡沫鋁鑿塊的連接，并最終形成片狀剝離.

爆炸沖擊波與高速破片聯合作用下泡沫鋁夾芯板芯層存在局部穿孔、芯層剪切、芯層與后面板界面失效等破壞模式.

圖5 芯層的破壞模式

2.2.3背板的變形及失效

圖6為背板變形和失效模式.從整體看，當藥量較小，距離較遠時，破片群耦合作用效果并不明顯，背板有多個局部穿甲孔，但穿孔并未發生連接.隨著裝藥量變大，爆炸距離越近，背板中心處呈現較大花瓣狀破口，且隨著爆炸距離的增大，破口面積逐漸變大.

圖6 背板的變形和失效模式

從局部看：背板局部穿孔直徑明顯大于面板，當破片穿孔靠近夾芯板中心區域時，破片呈現正穿甲特點；當破片穿孔距離中心區域較遠時，呈現明顯的斜穿甲特點；當破片穿孔距離較近時，穿孔與穿孔會發生貫穿，形成略大的復合孔洞.

泡沫鋁夾芯板的背板與面板失效模式有較大差異.面板僅出現局部小穿孔，而背板不僅穿孔直徑明顯變大，且出現了蜂窩狀孔群和背板花瓣開裂兩種不同破壞模式.

2.3 靶板的整體變形

使用精度為0.1 mm的手持式激光掃描儀對爆炸變形后的泡沫夾芯板進行整體變形測量，得到面板和背板的變形，并通過后處理軟件切割相應的面，得到中心線的變形.工況3～5的面板變形見圖7.由圖7可知，隨著爆炸距離的增大，面板的中點塑性變形明顯變大：當破片底部距泡沫鋁夾芯板200 mm時，面板中點最大變形為3.1 mm；當破片底部距泡沫鋁夾芯板100 mm時，面板中點最大變形為4.9 mm；當破片底部距離泡沫鋁夾芯板50 mm時，面板的中點變形約為10.8 mm.面板的變形與均質靶板在爆炸沖擊作用下的變形模式有一定的差異，雖然各工況均為中點處變形最大，但并未非距離中心越近的點，變形越大.說明破片及應力波在靶板內傳播過程對泡沫鋁夾芯板面板的最終變形有一定的影響.

圖8為不同爆炸當量作用下的背板中心線變形.工況4～5中，背板在距離邊緣約100 mm處有凹陷，結合圖6，分析原因為芯層與背板膠接失效.爆炸距離較遠的工況3則沒有發生此類變形.背板中心區域的整體變形也隨著破片底部距離泡沫鋁夾芯板的距離變小而明顯增大.

圖7 面板的整體變形

圖8 背板的整體變形

3 背板中心花瓣破口的機理分析

研究表明，利用泡沫鋁屈服平臺和動態崩潰的原理，泡沫鋁在沖擊作用下碎裂崩潰可以看成局部小型爆炸沖擊，利用這一原理采用泡沫子彈撞擊的方式模擬局部爆炸沖擊作用.利用此原理，破片侵徹面板后壓縮泡沫鋁芯層，會在泡沫鋁中形成固體沖擊波，產生類似小型爆炸的作用.當破片距離較近時，泡沫鋁芯層中的沖擊波會彼此疊加，形成類似較大當量爆炸作用.此時，背板在沖量作用下發生中心拉伸撕裂、翻轉并最終形成類似接觸爆炸產生的花瓣破口.過程示意圖見圖9，可以簡單分為四個步驟：①步驟1，高速破片幾乎同時撞擊面板，隨后侵徹面板；②步驟2，破片與面板充塞塊共同在泡沫鋁芯層中減速運動，并壓縮泡沫鋁，不同破片分別各自壓縮泡沫鋁形成固體沖擊波；③步驟3，不同破片形成的沖擊波在泡沫鋁芯層中匯聚，并作用于背板，背板在沖擊波作用下發生塑性變形；④步驟4，背板在沖擊波作用下發生撕裂，與芯層發生脫膠，背板向后翻轉形成花瓣狀破口，破片與充塞塊組合體飛出泡沫鋁夾芯板.

泡沫鋁夾芯板在爆炸沖擊波與破片群作用下，尤其當破片群較為密集時，背板容易發生拉伸破壞并最終形成花瓣狀破口.說明泡沫鋁夾芯板作為防護材料，背板宜選用抗拉性能較好的材料，如芳綸纖維等纖維增強復合材料.

圖9 背板中心花瓣形成過程示意圖

4 結 論

1) 裝藥驅動預制破片是一種產生爆炸沖擊波和破片群聯合載荷的有效方法，能夠對結構形成有效殺傷.

2) 泡沫鋁夾芯板在爆炸沖擊波與破片群聯合作用下產生多種破壞模式，其中泡沫鋁夾芯板芯層存在局部穿孔、芯層剪切、芯層與后面板的界面失效等破壞模式，背板蜂窩狀孔群和花瓣開裂等不同模式.

3) 在破片群較為密集的情況下，泡沫夾芯板背板中心易產生類似于局部接觸爆炸作用時的花瓣開裂，宜選用抗拉性能較好的材料.