泡沫铝夹芯板压入和侵彻性能的实验研究

第一作者 李志斌 男，博士，讲师，1985 年生

邮箱：lizhibin@mail.ustc.edu.cn

泡沫铝夹芯板压入和侵彻性能的实验研究

李志斌, 卢芳云

(国防科学技术大学 理学院，长沙410073)

摘要：利用MTS和落锤试验机研究了由复合材料面板和闭孔泡沫铝芯层组成的夹芯板结构在压入和侵彻时的变形和失效行为，并通过引入无量纲参数——能量吸收效率因子，探讨了一些关键参数对夹芯板压入和侵彻性能以及能量吸收性能的影响，如冲击能量、面板厚度、芯层厚度及相对密度、压头/锤头形状和边界条件等。结果表明夹芯板的破坏主要集中在压头作用的局部区域内。夹芯板的能量吸收效率对其结构参数比较敏感，增加上层面板厚度、芯层厚度或芯层相对密度能够有效地提高夹芯板结构的能量吸收能力以及抵抗压入和侵彻的能力，而下层面板厚度的对夹心板抗侵彻性能的影响不明显。不同的压头/锤头形状和边界条件对泡沫铝夹芯板的压入和侵彻响应以及能量吸收性能影响明显。

关键词：泡沫铝；夹芯板；压入；侵彻；能量吸收效率因子

基金项目：国家自然科学基金(90916026, 11132012)

收稿日期：2013-12-05修改稿收到日期：2014-02-25

中图分类号:TB124文献标志码： A

Tests for indentation and perforation of sandwich panels with aluminium foam core

LIZhi-bin,LUFang-yun(College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract:Indentation and perforation behaviors of sandwich panels with composite face sheets and closed-cell aluminium foam core were investigated experimentally. Quasi-static and low-velocity impact tests were conducted by using a MTS system and a drop hammer tester, respectively. Experimental results showed that the deformation and failure of the sandwich panels are roughly confined to the area underneath the indenter and the material outside the contact area seems to be intact. Effects of some key parameters, such as, impact energy, face sheet and core thicknesses,core density, indenter nose shape, and boundary conditions on the overall energy absorption behavior of the panels were studied and compared with an energy-absorbing efficiency factor. It was showed that the energy-absorbing efficiency of the panels is sensitive to its structural parameters; increasing the upper face sheet thickness and the thickness of core or the relative mass density of core can effectively improve the energy-absorbing ability and the ability against indentation and perforation of the panels; the effects of the lower face sheet thickness on the ability against perforation of the panels is not obvious; different shapes of indenter and hammer and boundary conditions have significant effects on the responses of identation and perforation and the energy-absorbing performance of the panels.

Key words: aluminum foam; sandwich panel; indentation; perforation; energy-absorbing efficiency factor

泡沫铝夹芯板具有高比刚度、高比强度等优越的力学性能，因而得到了研究者广泛的重视。为减轻飞行器的重量，同时保证结构的强度和刚度要求，夹芯结构在航空航天领域中得到了越来越多的应用[1-2]。已有的研究表明，使用复合材料替代铝合金作为夹芯板的面板，可以有效地降低结构的重量。然而，复合材料面板的夹芯板抗冲击损伤能力较差，可能的损伤致使结构的强度和可靠性受到严重影响[3]。局部冲击载荷会导致夹芯板中局部损伤的产生，进而导致结构承载能力的大幅下降[4]。因此，研究复合材料面板泡沫铝芯层的夹芯板在冲击下的力学行为显得非常重要。

近年来，许多研究者对泡沫铝夹芯板结构的抗冲击性能进行了大量研究，其中大部分集中于复合材料夹芯板的高速冲击响应[5-8], 对其准静态和低速冲击行为的研究尚不充分[9-10]。另一方面，准静态实验常被用于模拟夹芯结构的低速冲击损伤，并被证实与低速冲击实验具有一定的等效性[11-12]。通过MTS和落锤试验机对复合材料面板，闭孔泡沫铝芯层的夹芯板进行了一系列的准静态和动态压入和侵彻实验，研究了泡沫铝夹芯板的变形和失效模式，并详细分析讨论了冲击能量、上下面板厚度、芯层厚度及相对密度、锤头形状以及边界条件等对夹芯板的准静态和低速冲击响应的影响。

1实验研究

1.1材料性能

实验中采用玻璃纤维层合板 (BQ-L-Y-3K-1)作为夹芯板的面板。层合板采用织物方式铺层(0°/90°/0°)，基体材料为热固型酚醛树脂，夹层材料为纤维直径为10 μm左右的E型玻璃纤维布(7628)。面板材料密度为2.31 g/cm3，纤维体积比为0.60。层合板表面铺有一层银色斜纹玻纤布，因此表面上看到的图纹并不是层合板内真实的经纬线排布。实验中用到三种不同厚度的面板，分别为1.2 mm、1.5 mm和2.0 mm。对复合材料面板在0°和90°方向分别进行单轴拉伸试验以获取面板材料拉伸力学性能。材料性能试验结果显示，对0°和90°方向截取的面板材料都在应变约为1.35%时出现横向脆断，极限强度330 MPa，且试件厚度对材料性能影响不大。

实验中使用的芯层材料为闭孔泡沫铝，其平均孔径约为3～5 mm，使用5种相对密度ρ(0.06, 0.085, 0.125,0.20和0.25) 以及4种芯层厚度Hc(10 mm，15 mm，20 mm和30 mm)以考察芯层密度和厚度对夹芯板压入和侵彻性能的影响。压入试验中下层面板厚度固定为Hlf= 2.5 mm，不同密度的泡沫铝的材料力学性能见表1。实验中使用SA-102抗冲击胶将上下面板和泡沫铝芯层粘接构成150 mm×150 mm的夹芯方板试件。为保证实验数据的有效性，每种工况重复三次试验。

表1　泡沫铝材料力学性能

1.2实验装置

准静态和低速冲击试验分别在MTS和落锤试验机上进行。侵彻试验中采用图1所示的装置固定夹芯板，通过两块钢板和8个螺栓将试件固定夹持以实现固支边界条件。

压入试验中试件直接放置在刚性支撑上。夹具尺寸150 mm×150 mm，中心开孔90 mm×90 mm。为了比较夹芯板在不同子弹下的抗侵彻性能，实验使用了三种形状的压头/锤头： 球头压头(Spherical-Ended Punch, SEP)，锥头压头(Conical-Nosed Punch, CNP)和平头压头(Flat-Ended Punch, FEP)。三种压头的具体尺寸见图2。

图1　试件夹具 Fig.1 Photographs of the specimen clamp

图2　压头几何形状和尺寸示意图 Fig.2 Schematic of geometry and dimensions of the indenters

1.3实验方案

为了综合考察泡沫铝夹芯板的侵彻性能，实验共分为4组。第1组研究不同冲击能量(不同加载质量和不同冲击速度)对夹芯板(上层面板厚度Huf= 2.0 mm; 芯层厚度Hc=15 mm; 下层面板厚度Hlf= 1.5 mm; 芯层相对密度ρ= 0.085; CNP)抗侵彻性能的影响；第2组比较了不同上下面板厚度(1.2 mm, 1.5 mm和2.0 mm)对夹芯板(Hc=15 mm;ρ= 0.085; CNP)抗侵彻性能的影响；第3组研究了不同芯层厚度(Hc= 10 mm, 15 mm, 20 mm和30 mm)和芯层相对密度(ρ= 0.06, 0.085, 0.125, 0.20和0.25)对夹芯板(Huf=2.0mm;Hlf=1.5 mm; CNP)抗侵彻性能的影响；第4组研究了不同压头形状对夹芯板(Huf=2.0 mm,Hc=15 mm,Hlf=1.2 mm,ρ= 0.085)抗侵彻性能的影响。

为了研究泡沫铝夹芯板的压入性能，实验共分为3组：(1) 不同面板厚度(1.2 mm, 1.5 mm和2.0 mm)和芯层厚度(10 mm,15 mm和20 mm)对夹芯板(Hlf=2.5 mm;ρ= 0.25; SEP)压入性能的影响；(2) 不同泡沫铝芯层相对密度(ρ= 0.125,0.20和0.25)对夹芯板(Huf= 1.5 mm;Hlf=2.5 mm;Hc=15 mm, SEP)压入性能的影响；(3) 压头形状对夹芯板(Huf= 1.2 mm;Hlf= 2.5 mm;ρ= 23.5%)压入性能的影响。

最后探讨了不同边界条件(简支，周边固支以及底面刚性支撑)对夹芯板的性能的影响。

2实验结果分析

2.1变形和破坏模式

压入和侵彻过程中，夹芯板的变形和破坏主要集中在压头作用局部区域，此区域外夹芯板几乎没有变形。

在夹芯板的压入过程中，压头作用区域的面板发生局部脆性断裂或径向开裂，同时泡沫铝芯层压缩(见图3)。实验结果显示，大部分夹芯板在球头压入时上面板破坏集中在压头周边(见图3(a))。当夹芯板的上面板较厚时，夹芯板会出现图3(b)中mode-Ⅱ破坏模式，除了压头周边的破坏变形之外，面板在压头作用区域出现“十”字形的断裂破坏。随着压头的压入，压头下方的泡沫铝被压溃继而压实，通过泡沫铝材料的塑性变形可吸收大量能量，以保护夹芯板后部结构安全。压入区域边缘的泡沫铝材料被撕裂。远离压入区域的泡沫铝材料保持原始状态。图4给出了侵彻过程中泡沫铝夹芯板上下面板和泡沫铝芯层的变形和破坏模式，其中上面板破坏模式与压入实验结果类似。在平头和球形冲头作用下，下面板的变形较大且沿着夹具边缘断裂(图4(e)和图4(f))。由于冲头的穿透以及上层面板的破坏，芯层泡沫铝材料被压溃，压溃范围与面板材料破坏范围相当，并与冲头形状有关。

图3　夹芯板压入变形和破坏图 Fig.3 Photographs of upper face-sheet and foam core damage of indented sandwich panels

图4　夹芯板侵彻变形和破坏图 Fig.4 Photographs of face sheet and foam core damage of perforated sandwich panels

2.2能量吸收效率因子

能量吸收效率因子ψ定义为结构单元所吸收的弹性和塑性应变能量与相同体积的材料在拉伸试验中所能吸收的最大能量的比值[13]，可用来评估新型材料和新型结构的效率。这一参数已经推广应用于多种材料和结构，如泡沫填充管结构[14]。能量吸收效率因子是一个无量纲参数，对于本研究的夹芯板结构，可以写成如下形式：

(1)

式中:F为载荷，s为压头位移，δ为压头最大位移，ε为单轴拉伸应变，εr为面板材料的最大断裂应变，σf为面板材料的拉伸强度，σc为泡沫铝芯层的平台应力，Vc为泡沫铝芯层体积，Vuf和Vlf分别为上下面板的体积。假定泡沫铝的最大应变与面板材料的单轴断裂应变相等。

3结果讨论

3.1冲击能量的影响

低速冲击实验中，考察了不同冲击质量(3 kg, 6 kg, 12 kg,18 kg和24 kg)和不同冲击速度(1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s和5 m/s)对夹芯板冲击响应的影响。在本研究的速度范围内，不同冲击质量和不同冲击速度对夹芯板的冲击响应没有本质区别，都可归结为冲击能量不同对夹芯板造成不同程度的破坏。

图5给出了不同冲击能量对夹芯板能量吸收效率的影响。最大能量吸收Ef和Em通过载荷位移曲线积分得到，冲击能量Ei通过冲击质量和落高得到。由图5可知，夹芯板的能量吸收及能量吸收效率随着冲击能量的增大而增大。当冲击能量足够大时，夹芯板的能量吸收趋近于一个恒值，这意味着夹芯板已经完全穿透，不能吸收更多能量。由于夹芯板面板的脆性断裂，夹芯板破坏集中在锤头下方的局部区域内，远离此区域的材料未参与能量吸收，所以夹芯板的能量吸收效率ψ<1，甚至ψ<0.5。

图5　冲击能量的影响 Fig.5 Effects of impact energy

3.2面板厚度、芯层厚度及相对密度的影响

随着上层面板厚度的增加，夹芯板压入和侵彻性能和能量吸收明显提高。当上层面板厚度较大时(如1.5 mm)，增大上层面板厚度夹芯板的能量吸收效率不再提升，此时面板厚度增加带来的质量增大已经抵消了能量吸收的增加(见图6)。而在夹芯板侵彻过程中，增大下面板的厚度对夹芯板的能量吸收影响不明显(见图6(b))。但是，由于随面板厚度的增加夹芯板整体体积和质量也会变大，导致能量吸收效率降低。所以，必须进行优化设计以选择最优的面板厚度。

随着芯层厚度的增加，夹芯板压入和侵彻过程中吸收的总能量以及能量吸收效率得到了显著提高(见图7(a))。这是因为夹芯板芯层厚度越大，压入位移就越大，芯层的压缩变形起主导作用，吸收的能量也就越多。

随着夹芯板芯层相对密度增大，压入和侵彻的载荷值就越大，夹芯板吸收的总能量以及吸收能量效率也逐渐增大(见图7(b))。这时，夹芯板的侵彻变形从局部失效模式转变为整体的非弹性大变形。由于泡沫铝材料的高能量吸收效率，增大泡沫铝芯层的厚度和相对密度都能有效地提升夹芯板的能量吸收效率。因此，夹芯板抗侵彻性能明显提高。

图6　面板厚度的影响 Fig.6 Effects of face-sheet thickness

图7　芯层参数的影响 Fig.7 Effects of foam core parameters

3.3压头形状和边界条件的影响

在固支边界条件下，夹芯板对锥形压头的抗侵彻能力最差，对球头弹的抗侵彻能力次之，对平头弹的抗侵彻能力最优。相同形状压头压入作用时，刚性面支撑(Rigid Supported, RS)的夹芯板抗侵彻能力最好，简支(Simply Supported, SS)夹芯板次之，周边固支(Fully Fixed, FF)夹芯板抗侵彻能力最差(见图8)。

图8　压头形状和边界条件的影响 Fig.8 Effects of indenter nose shape and boundary conditions

4结论

利用MTS和落锤试验机对复合材料面板和泡沫铝芯层组成的夹芯板在准静态和低速冲击下，冲击能量、上下面板厚度、芯层厚度和相对密度及压头形状等参数对夹芯结构压入和侵彻性能的影响进行分析研究。实验结果表明：

(1) 泡沫铝夹芯板具有优良的抵抗压入和侵彻性能，可有效吸收冲击能量。压头压入和侵彻所导致的变形和破坏主要集中在压头作用区域，在加载区域外夹芯板几乎没有变形。

(2) 夹芯结构增加上层面板厚度、芯层厚度和芯层相对密度，均能有效提升其压入和侵彻性能。而下层面板对夹芯结构抗侵彻性能影响不明显。因此，在实际应用中，适当增大芯层厚度和上层面板厚度可以提升泡沫铝夹芯板的抗侵彻性能，从而更加有效地保护其中的人员或物体。夹芯板对锥形压头的抗侵彻能力最差，对半球头压头的抗侵彻能力次之，对平头压头的抗侵彻能力最优。相同形状压头压入作用时，刚性面支撑的夹芯板抗侵彻能力最好，简支夹芯板次之，周边固支夹芯板抗侵彻能力最差。

参 考 文 献

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