多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究

郭雨晨，赵桂平

(1.西安交通大学 航天航空学院，西安 710049)(2.西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049)

0 引 言

多孔金属夹芯结构具有低密度、高比刚度、高比强度、优异的吸能特性等特点，已被广泛应用于航空、车辆、航海、军工以及其他领域。近年来，由于恐怖主义的蔓延，对这种复合结构抗爆性能的研究需求日趋迫切，尤其是在航空领域，由于飞行器的特殊性，爆炸防护显得尤为重要。

国内外已对金属面板夹金属泡沫芯的复合夹芯结构进行了实验、理论和数值研究[1-6]。但是由于加工技术的限制、金属泡沫结构的缺陷(例如胞壁的弯曲、皱褶及不均匀的质量分布等)，会导致结构具有低劣的力学性能[7-8]。而由金属空心小球组成的结构则代表了一种新型多孔材料类型[9]。O.Friedl等[9]对某种金属空心小球进行了密度效应和拉伸压缩变形行为的实验研究；J.Fan等[10]针对随机排列金属空心小球和梯度变化金属空心小球结构提出了三种3D模型，并进行了相应的数值模拟以研究其压缩性能。目前，关于这种空心小球夹芯结构的能量吸收效果及抗爆性能的研究仍鲜有报道。

本文通过实验和有限元模拟，研究金属空心小球和泡沫铝两种夹芯结构在爆炸载荷作用下的动力响应与能量吸收机理，并分析不同参量下夹芯结构抗爆性能的变化规律。

1 实验研究

为了比较金属空心小球夹芯结构与泡沫铝夹芯结构的抗爆性能，分别对金属空心小球夹芯球壳和泡沫铝夹芯球壳在爆炸载荷作用下的动力响应进行实验研究，并对结构的变形破坏模式进行分析。

1.1 试 件

实验测试两个金属空心小球夹芯球壳和两个泡沫铝夹芯球壳的抗爆性能。每个试件由经法兰连接在一起的两个半球球壳组成，每个半球球壳由内外面板和芯层三部分组成，如图1～图2所示。内外面板均为A3钢制成，泡沫铝的相对密度为16%，金属空心小球材料为AISI304不锈钢。内面板内直径250 mm，厚度1 mm；外面板内直径316 mm，厚度1 mm，金属空心小球内直径31 mm，厚度0.5 mm。所有的金属空心小球均用热熔胶与内外面板黏接。实验中，炸药被固定在试件的正中心，即球心。

图1 泡沫铝夹芯球壳

图2 金属空心小球球壳

1.2 实验结果

1.2.1 泡沫铝夹芯球壳

试件1为泡沫铝夹芯球壳，承受18 gTNT的爆炸载荷。实验后的试件1如图3所示，可以看出：试件1被完全炸开分成两个半球壳，但是其主体部分并没有发生明显变形，仅法兰与螺栓连接部位出现了很大的塑性变形，表明法兰连接部位是薄弱环节。因此，对其他试件的法兰作了加强处理，宽度由最初的30 mm增加至60 mm，厚度也由2 mm增加至6 mm。

图3 试件1实验结果图

试件2也是泡沫铝夹芯球壳，其承受115 gTNT的极大爆炸载荷。实验结果显示，球壳主体各自分开，内面板裂成若干碎片，泡沫铝芯体被压缩进入密实阶段并被炸成若干小块，外面板与法兰直接从焊接部位分离。

1.2.2 金属小球夹芯球壳

试件3为金属空心小球夹芯球壳，承受18 gTNT的爆炸载荷。实验后的试件3如图4所示，可以看出：试件3内面板出现规则的凹陷变形，金属空心小球发生明显坍塌，外面板没有明显变形。

图4 试件3内面板实验结果图

试件4亦为金属空心小球夹芯球壳，其承受60 gTNT的爆炸载荷。实验结果显示，内面板发生严重破坏，空心小球大部分出现很大的坍塌变形，一部分已被压成扁状，外面板内侧与小球接触的部位有明显凹痕但是外侧无明显变形，整个球壳完好。

从金属空心小球夹芯球壳和泡沫铝夹芯球壳在不同爆炸载荷作用下的抗爆性能实验可以看出：金属空心小球夹芯结构作为抗爆吸能结构有很大的潜力，金属空心小球可以增加整个结构抵抗爆炸载荷的强度，同时其压缩变形也可以很好地吸能减震。

2 有限元模拟

为了更深入地研究芯层梯度等参数对夹芯结构抗爆性能的影响，通过有限元模拟方法对金属空心小球夹芯结构的性能进行对比分析。

2.1 有限元模型

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA和任意拉格朗日欧拉算法(ALE)模拟夹芯结构在爆炸载荷作用下的动力响应，建模中分别设置不同的参数来考虑面板厚度组合以及芯层梯度、小球排列方式、小球几何尺寸等变量的影响，分析结构抗爆性能及能量吸收规律。

为了单一变量，每组参量研究中，炸药质量、炸药离夹芯结构的距离、结构几何尺寸与质量均保持不变。

2.1.1 几何模型

夹芯球壳内径11.6 cm，外径16.4 cm，内外面板厚度均为0.2 cm。TNT炸药固定于夹芯球壳正中心。由于夹芯球壳的对称性和出于方便计算考虑，有限元模型中仅建立二分之一对称模型，如图5所示。

图5 金属空心小球夹芯球壳模型图

2.1.2 模型材料与接触设置

面板采用双线性随动强化弹塑性材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC进行描述，密度(ρ)为7.85 g/cm3，杨氏模量(E)为210 GPa，泊松比(λ)为0.3，屈服强度(σ)为240 MPa。泡沫铝采用蜂窝模型*MAT_HONEYCOMB，密度为0.531 9 g/cm3，杨氏模量为70 MPa，泊松比为0.285，应力应变曲线可参见文献[11]。金属空心小球采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型，密度为8.06 g/cm3，杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为400 MPa。TNT炸药采用高性能炸药材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和状态方程*EOS_JWL描述。空气部分则用*MAT_NULL和线性多项式状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL描述，具体参数可见文献[3]。

实验中，小球用热熔胶黏接在内外面板之间，故有限元模型中，设定金属空心小球理想连接在内外面板之间，不考虑摩擦效应。金属空心小球与内外面板之间均为侵蚀面面接触*CONTACT_ ERODING_ SURFACE _TO_SURFACE模型，小球之间选用自动面面接触*CONTACT_ AUTOMATIC_ SURFACE_ TO _ SURFACE模型。

2.2 有限元结果与分析

2.2.1 面板厚度组合

为了研究不同面板厚度组合方式对结构抗爆性能的影响，分析五种不同面板厚度组合夹芯球壳在20 g炸药下的动力响应。五种组合方式的面板总厚度均为4 mm，为了简化标记，用内面板厚度+外面板厚度代表每一种组合方式，例如0.4+3.6代表内面板厚度为0.4 mm、外面板厚度为3.6 mm的夹芯球壳。

球壳外面板的位移时程图和夹芯球壳各部分吸能图如图6～图7所示。

图6 不同面板厚度夹芯球壳外面板位移时程图

图7 不同面板厚度夹芯球壳各部分吸能情况

从图6～图7可以看出：随着内面板厚度逐渐增加，外面板的位移逐渐减小，这是由于面板强度和刚度均比芯层大，较厚的内面板最先受到冲击，可以更好地缓冲爆炸载荷，但是厚内面板承受了大部分能量，芯层未充分变形从而发挥作用；随着内面板厚度逐渐增加，夹芯球壳整体吸能减少，而且芯层吸能所占百分比大幅减少。

2.2.2 芯层材料

模拟比较金属空心小球夹芯球壳与泡沫铝夹芯球壳在50 gTNT载荷下的动态响应。

两种夹芯球壳外面板的位移时程图与吸能图如图8～图9所示。

图8 不同芯层的夹芯球壳外面板位移时程图

图9 不同芯层的夹芯球壳各部分吸能情况

从图8～图9可以看出：小球夹芯球壳抵抗变形的能力与吸能性能均劣于泡沫铝夹芯球壳，泡沫铝夹芯球壳的内面板已经被剧烈破坏但是小球夹芯球壳的内面板仍然完好。这是由于泡沫铝夹芯球壳内面板破裂，泡沫铝夹芯承受了较大的载荷压缩变形，外面板所受的冲击较小；而空心小球的刚度比泡沫铝高，变形没有泡沫铝大，空心小球夹芯球壳的吸能主要靠内面板，夹芯和外面板均仅吸收小部分能量。

作为传统的多功能材料，泡沫铝已被深入地研究且广泛地应用于众多行业。金属空心小球作为一种新型的多孔材料因其可设计性与成熟的加工工艺也得到了越来越多的关注。金属空心小球夹芯结构强度更高，但是泡沫铝夹芯结构具有更好的抗爆吸能的特性。

2.2.3 芯层梯度

为了简便计算，芯层为多层金属空心小球的夹芯结构选用夹芯平板来研究。

夹芯板长宽均为12 cm，厚3.4 cm，其中上下面板均厚0.2 cm。夹芯板四周固支，TNT炸药固定于距夹芯板上面板4 cm处。由于结构和载荷的对称性，有限元模型中仅建立四分之一对称模型，如图10所示。

图10 金属空心小球夹芯板模型图

夹芯结构的芯层梯度变化通过保持小球外径不变而改变小球壁厚达到，如图11～图12所示，正梯度夹芯板的小球壁厚沿冲击方向增加，负梯度板则相反，均匀芯夹芯板的小球壁厚不变。

图11 正梯度夹芯板

图12 负梯度夹芯板

在20 g炸药量下三种夹芯板后面板中心点位移与各部分吸能情况如图13～图14所示。

图13 不同梯度夹芯板后面板中心点位移时程图

图14 不同梯度夹芯板各部分吸能情况

从图13可以看出：三条位移曲线均在220 μs左右到达峰值然后衰减波动，其中负梯度芯夹芯板中心点位移始终最小，均匀芯其次，正梯度芯夹芯板中心点位移最大。

从图14可以看出：负梯度夹芯板整体吸能最多，正梯度其次，均匀芯最少；同时负梯度的三层夹芯小球吸收了几乎相同的能量，可以更好地利用芯层吸能。

2.2.4 芯层小球排列方式

考虑两种金属空心小球的排列方式——并列型与交错型，分别如图15～图16所示。

图15 并列型夹芯

图16 交错型夹芯

在20 g炸药量下两种不同排列方式夹芯板的位移与吸能结果如图17～图18所示，可以看出：并列型夹芯板比交错型夹芯板的变形更小，且能吸收更多的能量。

图17 不同芯层排列方式夹芯板后面板中心点位移时程图

图18 不同芯层排列方式夹芯板各部分吸能情况

2.2.5 空心小球半径

保持芯层总厚度不变，分别考虑空心小球分别为3、4、5层的情况。为了使芯层质量相同，空心小球内外径同时改变，其中3层时内外径为8.5、10 mm，4层时内外径为6.375、7.5 mm，5层时内外径为5.1、6 mm，即芯层的层数越多，小球的内外径与厚度越小。

在20 g炸药量下三种不同半径小球夹芯板的位移与吸能结果如图19～图20所示。

图19 不同小球半径夹芯板后面板中心点位移时程图

图20 不同小球半径夹芯板各部分吸能情况

从图19～图20可以看出：3层夹芯板的后面板位移峰值比4层夹芯板多17%，比5层夹芯板多40%；三种夹芯板的整体吸能数值没有很大差异，但是3、4、5层夹芯板的芯层吸能占比分别为82%、92%、95%，即随着小球半径的减小，芯层吸能占比逐渐增大。

3 结 论

(1) 金属空心小球夹芯结构作为抗爆吸能结构是可行的，其薄弱环节(例如焊接部位)极大地限制了结构的强度与吸能性能，因此在实际应用中应对这些连接部位作加强处理。

(2) 在结构几何尺寸与质量相同时，内面板厚外面板薄的夹芯结构具有更好的抗变形能力，而内面板薄外面板厚的夹芯板则具有更好的吸能特性。

(3) 小球夹芯结构的整体强度更高，而泡沫铝夹芯结构能更充分地发挥芯层的缓冲性能。

(4) 负梯度夹芯结构、并列型小球夹芯结构、小半径小球夹芯结构展现出更好的抵抗爆炸载荷和吸收冲击能量的性能。