層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波傳播規(guī)律及能量耗散機(jī)制研究

鄒有純， 熊 超， 殷軍輝， 鄧輝詠， 崔凱波

(陸軍工程大學(xué)(石家莊校區(qū)) 火炮工程系，河北 050003)

層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)由兩種及以上具有不同機(jī)械性能的材料組成。研究表明，層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)在承受外部載荷時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能[1-2]。與均質(zhì)材料相比，層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕，抗沖擊性能更好并且更具設(shè)計(jì)性。由于輕質(zhì)和良好的抗沖擊性能，層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)近年來在軍事防護(hù)，汽車工業(yè)和航空航天工業(yè)中受到了廣泛應(yīng)用[3]。

為了深入研究層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，學(xué)者們對層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了廣泛的研究。目前，應(yīng)用較多的防護(hù)結(jié)構(gòu)的形式包括陶瓷/纖維復(fù)合材料[4]，陶瓷/金屬[5-6]。測試方法多集中于侵徹和損傷效應(yīng)的評估。為了充分發(fā)揮層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，有必要運(yùn)用材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)理論指導(dǎo)工程實(shí)踐。固體在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)本質(zhì)上是固體質(zhì)點(diǎn)的慣性效應(yīng)和材料本構(gòu)關(guān)系的應(yīng)變率效應(yīng)，通常可以通過應(yīng)力波傳播特性來分析材料的動(dòng)態(tài)壓縮性能[7-8]。然而，目前對層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究主要集中在侵徹和損傷效應(yīng)的評估方面，很少涉及應(yīng)力波傳播特性的研究。

泡沫鋁等金屬多孔材料憑借良好的吸能減震性能，普遍應(yīng)用于抗沖擊結(jié)構(gòu)中。肖先林等[9]通過子彈沖擊試驗(yàn)總結(jié)出了碳纖維-泡沫鋁夾芯板的失效形式，并通過有限元方法發(fā)現(xiàn)提高芯層的相對密度，剛度和強(qiáng)度能增強(qiáng)夾芯板抵抗沖擊變形的能力，但是由于整體變形較小，不利于吸能。沈佳興等[10]設(shè)計(jì)了泡沫鋁填充的礦用救生艙，通過ANSYS Workbench對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明泡沫鋁填充顯著地減小了救生艙碰撞時(shí)的最大變形和最大加速度，提高了救生艙的碰撞性能。張?jiān)赖萚11]通過中低速破片模擬彈的侵徹試驗(yàn)總結(jié)了泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)制，并分析了背板層厚度對泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的影響。目前，對由泡沫鋁組成的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究相對成熟，其抗沖擊性能的提高空間小。為了開發(fā)具有更強(qiáng)的抗沖擊性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)，需要應(yīng)用新的材料。金屬絲纏繞材料(entangled metallic wire material,EMWM)是通過沖壓纏結(jié)的金屬絲制成的一種特殊的多孔金屬材料。金屬絲纏繞材料彈性好，并且較高孔隙率有助于吸收沖擊波能量[12]。EMWM在真空，高低溫等復(fù)雜環(huán)境下具有良好的阻尼性能，在航空航天，海洋船舶等特種裝備領(lǐng)域的減震和隔震裝置得到廣泛應(yīng)用。目前對EMWM的研究主要集中于宏觀力學(xué)性能及其形成機(jī)理[13]，力學(xué)性能[14-17]及其影響因素[18-20]，制造工藝[21-22]等。本研究探索了EMWM在抗沖擊領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，對于3種及以上材料的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力波傳播特性的研究還很少，而且很少將EMWM應(yīng)用于抗沖擊領(lǐng)域。基于抗沖擊結(jié)構(gòu)的基本形式，采用碳化硅陶瓷(SiC)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和鈦合金(TC4)設(shè)計(jì)了SiC/UHMWPE/TC4和SiC/TC4/UHMWPE復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過SHPB(split-Hopkinson pressure bar)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)的破壞模式和應(yīng)力波傳播特性。基于EMWM的優(yōu)異的吸能特性，研究了EMWM層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，討論了材料的排列順序?qū)?fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。最后分析了4種復(fù)合結(jié)構(gòu)的能量耗散機(jī)制。本研究對層狀復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能提高具有指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 材 料

如圖1所示，制備復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料包括碳化硅陶瓷(SiC)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和鈦合金(TC4)。根據(jù)SHPB的規(guī)格，材料切割為直徑40 mm的圓柱體。SiC, UHMWPE, TC4的厚度分別為5 mm，5 mm和6 mm。

(a) 碳化硅陶瓷

基于復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)合理的組合形式，設(shè)計(jì)了表1中的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。SiC由于高硬度和高強(qiáng)度，通常用作復(fù)合結(jié)構(gòu)的面板。但是，SiC陶瓷易碎并且抗拉強(qiáng)度低，需要與其他材料組合使用。UHMWPE具有高的比強(qiáng)度和比模量，可以抵抗沖擊并消耗剩余能量。TC4用于復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)中可以進(jìn)一步提高防護(hù)性能。UHMWPE和TC4置于不同的位置以討論材料的排布順序?qū)?fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。不同材料間的界面用凡士林黏合。

1.2 方 法

1.2.1 SHPB測試

如圖2所示，高速沖擊試驗(yàn)在SHPB裝置上進(jìn)行。壓桿為直徑45 mm的7075鋁合金桿。撞擊桿，入射桿和透射桿的長度分別為400 mm，2 500 mm和2 500 mm。使用德國PCO公司生產(chǎn)的PCO.1200hs高速攝像機(jī)拍攝整個(gè)沖擊過程。撞擊桿的沖擊速度為30 m/s。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種結(jié)構(gòu)分別準(zhǔn)備了3個(gè)試樣，并取3次測試結(jié)果的平均值。

表1 層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖2 SHPB裝置示意圖

1.2.2 有限元模型

使用LSDYNA軟件進(jìn)行有限元分析。通過8節(jié)點(diǎn)solid164單元建立模型，模型的物理幾何參數(shù)與試驗(yàn)條件保持一致。整個(gè)模型設(shè)置為只有軸向一個(gè)自由度。壓桿的網(wǎng)格尺寸為1 mm，復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣的網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。撞擊桿加載速度設(shè)置為30 m/s。不同實(shí)體之間的接觸由*CONTACT_AUTOMATIC_ SURFACE_TO_SURFACE定義。壓桿采用各向同性線性彈性材料模型*MAT_ELASTIC_TITLE定義，密度為2.81 g/cm3，彈性模量為71 GPa，泊松比0.33。SiC，UHMWPE和TC4的模型參數(shù)如表2～表4所示。

表2 SiC的*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS參數(shù)[23]

2 結(jié)果和討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果

圖3表示通過SHPB試驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的復(fù)合結(jié)構(gòu)的入射，反射和透射信號。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，可以通過建立有限元模型研究復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。本文中，透射率定義為透射波的波峰與入射波的波峰的比值。復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ的透射率分別為0.82和0.88，證明材料的排列會影響復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波耗散性能。

表3 UHMWPE的*MAT_COMPOSITE_DAMAGE參數(shù)[24]

表4 TC4的*MAT_JOHNSON_COOK參數(shù)

2.2 破壞模式分析

圖4是沖擊過程中復(fù)合結(jié)構(gòu)I的高速攝影圖像和應(yīng)力云圖。本文中所有高速攝影圖像和應(yīng)力云圖中壓桿的沖擊方向如圖4(a)所示，首先受到?jīng)_擊的是SiC。如圖4所示，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)復(fù)合結(jié)構(gòu)I時(shí)，SiC開始失效。從圖4(a)、圖4(b)的應(yīng)力云圖可以看出，SiC與UHMWPE的界面處存在拉伸應(yīng)力。由于SiC的波阻抗高于UHMWPE的波阻抗[25-26]，應(yīng)力波在SiC和UHMWPE的界面處以拉伸應(yīng)力波的形式反射，從而導(dǎo)致SiC的拉伸破壞。UHMWPE的硬度低，可為SiC提供緩沖。因此，SiC首先在UHMWPE表面破裂成塊狀，之后崩落。

圖4 結(jié)構(gòu)Ⅰ 碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/鈦合金

圖5是復(fù)合結(jié)構(gòu)II的高速攝影圖像和應(yīng)力云圖。復(fù)合結(jié)構(gòu)II中的SiC處于崩落狀態(tài)，且SiC碎片比復(fù)合結(jié)構(gòu)I中的小。上述破壞模式表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)II中SiC的破壞程度高于復(fù)合結(jié)構(gòu)I中的SiC的破壞程度。SiC，TC4，UHMWPE和EMWM的波阻抗排布為SiC>TC4>UHMWPE>EMWM，因此從圖5(a)的應(yīng)力云圖可以看出，SiC與TC4界面處同樣存在拉伸應(yīng)力。此外，SiC的背板是TC4，硬度更高。給予SiC較強(qiáng)的支撐力。上述兩個(gè)因素導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)II中SiC的破壞程度高于復(fù)合結(jié)構(gòu)I中SiC的破壞程度。

2.3 應(yīng)力波傳播特性

為了進(jìn)一步研究復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，通過有限元方法計(jì)算出了復(fù)合結(jié)構(gòu)在應(yīng)力波傳播過程中的應(yīng)力分布。所選時(shí)刻處于應(yīng)力波首次傳播通過復(fù)合結(jié)構(gòu)的過程中。圖6表示復(fù)合結(jié)構(gòu)I在不同時(shí)刻的軸向應(yīng)力分布。在橫坐標(biāo)中，L代表復(fù)合結(jié)構(gòu)的總長度，x/L代表復(fù)合結(jié)構(gòu)的不同位置(x/L=0表示入射桿與SiC之間的界面；x/L=1表示TC4和透射桿之間的界面；x/L=1/3表示SiC和UHMWPE之間的界面；x/L=2/3表示UHMWPE和TC4之間的界面)。從圖6可以看出，SiC的應(yīng)力分布不均勻，并且在加載過程中存在應(yīng)力波動(dòng)。在應(yīng)力劇烈波動(dòng)的區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致SiC內(nèi)部產(chǎn)生裂紋源并降低SiC的破壞強(qiáng)度。UHMWPE的軸向壓應(yīng)力逐漸減小，在TC4和UHMWPE的界面處形成拉應(yīng)力。界面處的拉應(yīng)力會破壞界面并加劇材料的損傷。

圖5 結(jié)構(gòu)Ⅱ 碳化硅陶瓷/鈦合金/超高分子量聚乙烯

圖6 結(jié)構(gòu)Ⅰ的應(yīng)力分布

圖7表示復(fù)合結(jié)構(gòu)II的軸向應(yīng)力分布。復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ中的SiC的應(yīng)力分布范圍和應(yīng)力值均小于復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ。然而，復(fù)合結(jié)構(gòu)II中的TC4對SiC產(chǎn)生了較強(qiáng)的支撐作用，導(dǎo)致SiC的破壞程度更高。TC4的應(yīng)力先增大，然后趨于均勻。TC4和UHMWPE之間存在較小的應(yīng)力波動(dòng)。UHMWPE的應(yīng)力逐漸降低。與復(fù)合結(jié)構(gòu)I相比，復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ中的界面處的應(yīng)力較小并且過渡更平滑。TC4和UHMWPE的軸向應(yīng)力分布相對均勻，可以避免由于嚴(yán)重的應(yīng)力波動(dòng)而破壞材料。

2.4 金屬絲纏繞材料夾芯結(jié)構(gòu)

金屬絲纏繞材料(EMWM) 如圖8所示。本研究中，將EMWM置于UHMWPW和TC4之間來研究EMWM復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。基于復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ的形式，設(shè)計(jì)了表5中的復(fù)合結(jié)構(gòu)。EMWM由絲徑為0.3 mm的0Cr10Ni9不銹鋼絲沖壓而成。EMWM試樣厚度10 mm，橫截面直徑為40 mm，密度為2.37 g/cm3。

圖7 結(jié)構(gòu)Ⅱ的應(yīng)力分布

圖8 金屬絲纏繞材料

表5 金屬絲纏繞材料復(fù)合結(jié)構(gòu)

復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅲ，Ⅳ的入射，反射和透射信號如圖9所示。將EMWM復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅲ，Ⅳ同復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ?qū)Ρ龋梢园l(fā)現(xiàn)EMWM復(fù)合結(jié)構(gòu)的透射波的上升速率，幅值和波長顯著減小，反射波幅值略小于入射波幅值。上述現(xiàn)象表明，EMWM對通過復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈性壓縮波具有遲滯效應(yīng)，并有效地阻礙和減小了應(yīng)力波的透射傳播。

圖10是復(fù)合結(jié)構(gòu)III的高速攝影圖像。通過在復(fù)合結(jié)構(gòu)I的UHMWPE和TC4之間加入EMWM制成復(fù)合結(jié)構(gòu)III。如圖10所示，復(fù)合結(jié)構(gòu)III受到?jīng)_擊時(shí)，SiC和UHMWPE開始壓縮EMWM，EMWM側(cè)向膨脹。由于UHMWPE和EMWM的緩沖作用，SiC沒有產(chǎn)生損傷。隨著進(jìn)一步?jīng)_擊，EMWM達(dá)到了壓縮極限，SiC在UHMWPE表面碎裂。隨后，如圖10(d)所示，EMWM由于彈性，變形恢復(fù)。與復(fù)合結(jié)構(gòu)I相比，復(fù)合結(jié)構(gòu)III的SiC完整度更高。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)III具有比復(fù)合結(jié)構(gòu)I更好的抗沖擊性能。

圖9 試驗(yàn)信號

圖10 結(jié)構(gòu)Ⅲ 碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/金屬絲纏繞材料/鈦合金

圖11是復(fù)合結(jié)構(gòu)IV的高速攝影圖像。 通過在復(fù)合結(jié)構(gòu)II中的TC4和UHMWPE之間加入EMWM制成復(fù)合結(jié)構(gòu)IV。如圖11所示，復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅳ受到?jīng)_擊時(shí)，SiC和TC4開始壓縮EMWM，EMWM側(cè)向膨脹。TC4較強(qiáng)的支撐作用導(dǎo)致SiC碎裂。與復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ相比，SiC在復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅳ中的破壞程度較小。與復(fù)合結(jié)構(gòu)III相比，TC4的強(qiáng)支撐作用導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)IV中SiC的破壞程度更高。此外，由于TC4的彈性模量大，因此在受到?jīng)_擊載荷時(shí)TC4的變形很小，這導(dǎo)致所有變形都集中在EMWM上。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)IV的EMWM的變形高于復(fù)合結(jié)構(gòu)III中EMWM的變形。

在復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ的基礎(chǔ)上加入EMWM，有效地延遲了應(yīng)力波，阻礙了應(yīng)力波的透射，減小了透射能量。SiC的損傷程度排列為Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ。EMWM的緩沖作用使得復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的SiC損傷程度分別小于復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II的SiC損傷程度。此外，TC4較強(qiáng)的支撐作用使復(fù)合結(jié)構(gòu)II和IV的SiC損傷程度分別大于復(fù)合結(jié)構(gòu)I和III中SiC的損傷程度。

圖11 結(jié)構(gòu)Ⅳ 碳化硅陶瓷/鈦合金/金屬絲纏繞材料/超高分子量聚乙烯

2.5 能量耗散機(jī)制

研究能量轉(zhuǎn)換過程對分析復(fù)合結(jié)構(gòu)的能量耗散機(jī)制具有重要價(jià)值。根據(jù)能量守恒定律[27]，入射能量Wi，反射能量Wr，透射能量Wt，吸收能量W，比能量吸收S和透射率Wa表示如下。

(1)

(2)

(3)

W=Wi-Wr-Wt

(4)

(5)

(6)

式中:A，C，E分別為壓桿的橫截面積、波速和彈性模量；σi，σr，σt分別為入射應(yīng)力，反射應(yīng)力和透射應(yīng)力;εi，εr，εt分別為入射應(yīng)變，反射應(yīng)變和透射應(yīng)變;T為加載時(shí)間；M為試樣的質(zhì)量。

計(jì)算結(jié)果如表6所示。由于試樣的質(zhì)量和入射能不同，應(yīng)參考復(fù)合結(jié)構(gòu)的比能量吸收S。可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ的比能量吸收S遠(yuǎn)大于復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅲ，Ⅳ的比能量吸收S。在沖擊復(fù)合結(jié)構(gòu)的過程中，W的主要來源是SiC的破壞，這說明復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ，Ⅱ主要依靠SiC的破壞來耗散能量。

表6 能量轉(zhuǎn)換

結(jié)合透射能Wt，透射率Wa和反射能Wr分析復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理。從表6可以看出，復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的透射能和透射率遠(yuǎn)小于復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II的透射能和透射率，并且復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的反射能遠(yuǎn)大于復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II的反射能。由于EMWM的波阻抗較低，EMWM的入射能量大部分被反射，導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV的透射能量較低，反射能量較高。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV主要依靠反射大部分入射能量來耗散能量。

4種復(fù)合結(jié)構(gòu)的能量耗散機(jī)理可歸納為兩類：① 復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II主要依靠SiC的破壞來耗散能量，導(dǎo)致SiC產(chǎn)生嚴(yán)重破壞并且透射率較高；② 復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV主要依靠EMWM反射大部分入射能量來耗散能量，從而降低了透射率，而且SiC損傷程度低。通過對能量轉(zhuǎn)換過程的分析和兩種能量耗散機(jī)制的比較進(jìn)一步證明了EMWM層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)異的抗沖擊性能。

3 結(jié) 論

本文以層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)為研究對象。建立了SHPB試驗(yàn)的有限元模型，并驗(yàn)證了其正確性。通過SHPB試驗(yàn)和仿真，分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)的破壞模式，應(yīng)力波傳播特性和能量耗散機(jī)制。主要結(jié)論如下:

(1) 復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ中，SiC破壞程度低，界面處出現(xiàn)拉伸應(yīng)力加劇材料破壞，復(fù)合結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力波動(dòng)劇烈。復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ中，SiC破壞程度高，界面處應(yīng)力小并且過渡平滑，TC4和UHMWPE的應(yīng)力分布均勻。

(2) EMWM可以有效地延遲應(yīng)力波并阻礙應(yīng)力波的透射，極大地減小透射能量。SiC的損傷程度受其背板材料的影響很大。SiC的損傷程度排列為Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ。復(fù)合材料Ⅲ，Ⅳ中的SiC損傷明顯低于復(fù)合材料Ⅰ，Ⅱ中的SiC損傷，證明EMWM的緩沖作用減小了SiC的損傷。通過進(jìn)一步的比較發(fā)現(xiàn)，復(fù)合結(jié)構(gòu)III的SiC損傷低于復(fù)合結(jié)構(gòu)IV的SiC損傷。可以初步確認(rèn)，應(yīng)將UHMWPE用作SiC的背板，以充分發(fā)揮UHMWPE和EMWM的緩沖作用，而TC4作為SiC的背板則不能最大程度發(fā)揮緩沖作用。復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅰ的SiC損傷低于復(fù)合結(jié)構(gòu)Ⅱ的SiC損傷，也可以證明這一結(jié)論。

(3) 本文復(fù)合結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)理可以總結(jié)為兩類。復(fù)合結(jié)構(gòu)I，II主要通過SiC的破壞來耗散能量，透射率高，SiC破壞程度高。復(fù)合結(jié)構(gòu)III，IV通過EMWM來反射大部分入射能量，透射率低，SiC破壞程度低。EMWM復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能更好，耗能機(jī)制更合理。