爆炸冲击作用下泡沫金属材料动态力学特性研究综述

泡沫铝材料抗爆炸冲击问题研究综述摘要：为对泡沫铝材料在抗爆炸冲击方面应用的相关研究有全面的了解，本文从泡沫铝材料抗爆炸冲击问题所涉及到的材料本身动力学特性、材料内部冲击波传播规律和常见的抗爆炸冲击应用的材料结构形式—含泡沫铝的多层结构的抗爆特性三方面出发，对泡沫铝在爆炸冲击作用下的动力学问题的研究现状进行梳理和评价。研究可为泡沫铝在抗爆炸冲击方面的进一步应用提供有益的借鉴。关键词：泡沫铝爆炸冲击多层结构1前言泡沫金属材料作为一种含有无序微结构的高孔隙率、低密度的超轻多孔金属材料，具有承载、传热、降噪、电磁屏蔽、减振、吸能等多功能特性。特别是其在静态和动态载荷下表现出应力平台效应，能吸收大量压缩能量，从而具备优良的缓冲吸能性能，故在军用车辆、舰船以及防护工程结构等防爆炸冲击方面受到广泛的关注。但在近二十年来对其力学行为所展开的广泛和深入的研究当中，以准静态加载条件下的力学行为研究最为充分，高加载速率、高应变率的动态加载条件下的材料力学行为较为复杂，研究难度也较大。国内外对泡沫铝材料在爆炸冲击载荷作用下相关问题的研究，主要集中在材料本身的动力学行为（即在冲击作用下，材料变形和失效机制等）和材料内部冲击波的传播两个方面。本文将从这两方面出发，对泡沫铝在爆炸冲击作用下的动力学问题的研究现状进行梳理，并对其常见应用形式—含泡沫铝的多层结构的抗爆特性展开评述，为泡沫铝在抗爆炸冲击方面的应用提供有益的借鉴。2爆炸冲击作用下泡沫铝材料动态力学行为研究2.1泡沫铝材料动态应力-应变行为爆炸冲击作用下的泡沫铝材料的动态应力-应变行为的研究主要借助SHPB等试验方法对材料进行动态冲击加载获取相应的应力-应变曲线。与静态加载条件下的材料应力-应变行为的研究结果不同，泡沫铝动态应力-应变行为的研究，国内外不同学者存在不同的研究结论，甚至是相反的。大体而言，对于泡沫铝动态压缩力学应力-应变曲线整体特性的描述基本一致，即其应力-应变曲线表现出三个显著的阶段：线弹性区、屈服平台区和致密固化区，这也是高孔隙率泡沫铝材料具有良好吸能特性的原因所在。但对于泡沫铝动态应力-应变曲线是否与加载应变率相关，则存在不同看法。如Deshpande和Fleck2000[1]等人在早期采用传统的分离式hopkinson压杆对泡沫铝所做的高应变率（5000s-1）条件下的冲击压缩试验结果表明高应变率范围内材料的应力应变曲线与静态曲线相似，故认为泡沫铝材料对应变率不敏感。国内王青春等2004[2]、王志华等2006[3]、郭国伟等2008[4]对孔泡沫铝进行的中等应变率以下的冲击试验，也认为试验所考察的泡沫铝材料的应力-应变曲线与应变率关系不大。与上述研究结论不同，Dannemann2000[5]等采用与Deshpande等人完全相同的实验技术和泡沫铝试件，进行的冲击试验结果却表明泡沫铝的动态力学行为是与应变率相关的。国内曾斐2002[6]、胡时胜2003[7]、王永刚2003[8]、田杰2006[9]等对SHPB实验技术进行了改进，较系统地研究了泡沫材料的动态力学性能，对泡沫铝的应变率敏感性进行了讨论，认定这种材料是应变率敏感材料。这种敏感性主要是由于泡孔的变形特性产生的。泡沫材料变形的局部化、微观惯性和致密性导致其压垮应力明显提高，基体的应变率效应及泡孔的形状大小并不能对泡沫材料应变率敏感起主导作用。图1、2所示的不同应变率条件下的泡沫铝应力应变曲线即证明了材料应变率敏感的特性。图1工业纯铝泡沫材料不同应变率条件下的应力应变曲线[9]图2铝镁合金泡沫材料不同应变率条件下的应力应变曲线[9]Fig1.Stress-straincurvesatdifferentstrainrateofcommerciallyFig2.Stress-straincurvesatdifferentstrainrateofAl-Mgalloyfoam[9].purealuminumfoam[9].程和法等2003[10]对开孔泡沫铝的动态性能采用SHPB试验装置进行了试验研究，发现开孔泡沫动态应力应变曲线以及材料的应变率敏感性均与闭孔泡沫铝材料具有类似特点。康颖安等2006[11]对不同相对密度的泡沫铝的动态压缩实验则表明开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝的应变率敏感性存在差异，闭孔泡沫铝的应变敏感程度较差。张健等2010[12]在0.001s-1至2500s-1的应变率范围内对闭孔泡沫铝进行了压缩实验，发现泡沫铝的应变率敏感性与孔隙率和基体材料的应变率敏感性有关系。综上所述，泡沫铝材料动态加载条件下的应力应变行为的研究尚未形成完全统一的认识。造成这种对动态加载条件材料应变率敏感性认识存在差异的可能有以下两个方面的原因：第一，由于泡沫铝具有低阻抗和低声速的特点，采用传统的SHPB压杆测试技术测试样品难以满足均匀应力状态的假设，且透射波信号辐值很低，故难以获得泡沫材料可靠的动态应力-应变响应。早期研究者得出的相反研究结论的原因很可能与此直接相关。第二，采用SHPB对泡沫铝材料进行动态加载试验时，假定材料内部应变均匀。而事实上由于泡沫铝材料内部不规则微结构的存在，这个假定大部分情况下都不成立。S.Nemat-Nasser2007[13]采用SHPB试验装置和高速摄像装置研究了动态加载条件下的泡沫铝材料的动力学行为。发现高速冲击速度下，泡沫铝材料中出现了非均匀性变形。这说明在冲击载荷作用下，材料内部应变分布是非均匀的。这进一步证明泡沫铝材料细微孔洞结构因素对宏观动力学响应是有影响的。杨宝2012[14]利用SHPB－高速摄影机系统，拍摄到了泡沫铝细观结构在冲击过程中的变形，分析了试件的应变分布及破坏模式。泡沫铝样品不同区域的应变分布结果如图3、4所示。图3泡沫铝试件表面测点布置示意图[14]图4泡沫铝试件表面不同测点区域的平均应变[14]Fig3.Arrangementoftestpointsonthesurfaceofaluminumfoamspecimen[14].Fig4.Averagestrain-timeatthedifferenttestpointonthesurfaceofaluminumfoamspecimen[14].图4结果表明泡沫铝试件在SHPB冲击过程中应变分布是不均匀的，试件两端的应变和应变率远大于中间部分的应变和应变率，即在SHPB实验过程中泡沫铝试件不能严格满足均匀性变形假定。因此，需要考虑对用SHPB方法测量泡沫铝动态力学性能方法进行必要的修正。上述试验研究表明，要更精确描述泡沫铝在动载条下的应力应变行为，必须要考虑其材料细观结构因素。第三，研究者所采用的泡沫铝试件存在制作工艺上的差异,再加上实验过程中的测量误差等不可控因素也会对泡沫铝的力学行为产生较大影响，从而使研究者得出不尽相同的结论。但目前从统计结果看，认为泡沫铝材料动态应力应变曲线与应变率相关的研究结论占多数。2.2泡沫铝材料本构模型早期的泡沫铝材料本构模型的研究仍然采用连续均匀介质材料力学的研究方法，不考虑材料的细微结构，借助于准静态、动态加载下的材料应力应变曲线，唯象表征出泡沫铝材料的宏观力学行为特征，多采用弹塑性的材料本构模型。如Gibson和Ashby1997[15]提出的蜂窝材料和泡沫材料的本构模型、Deshpande和Fleck2000[16]建立的泡沫金属的自相似本构模型和微分强化本构模型、Chen和Lu2000[17]提出的适用于塑性可压缩和塑性不可压缩弹塑性体统一的本构模型等。为了体现出动态加载条件下材料内部微结构存在所产生的应变率效应，近年来有学者在基于上述弹塑性本构模型的基础上还提出了率相关的泡沫铝材料弹塑性体本构关系，并用于泡沫铝冲击吸能特性的模拟计算2011[18]。随着对泡沫铝材料微结构参数对材料宏观力学行为影响认识的加深，以及孔洞材料细观力学的发展，从泡沫铝材料微结构出发，运用细观力学的分析理论，构造微结构的三维单元胞模型，研究单胞结构在外部动载荷条件下的变形、垮塌失效过程与机制，建立材料微观组织与材料宏观唯象本构间的定量关系，以更精确的解释材料的宏观应力应变行为渐渐成为一种趋势。Gibson-Ashby多孔材料模型[16]提出的以均匀性立方体结构的孔隙单元的规则排列简化表征多孔泡沫材料内部微结构分布的方法成为从微结构出发研究多孔材料本构模型的基础。后续还现出了Kelvin的十四面体模型[19]（图5）及其改进型[20]、国内学者刘培生的八面体模型[21]（图6）。利用这些多孔材料单胞结构理论模型都可较好的预测了泡沫铝材料的某些宏观力学行为特征。但由于上述模型都是假定微结构呈周期性排列，且单胞间无差异，这种微结构的均匀性显然与真实泡沫铝材料微结构随机分布的实际是有差异的。为了体现实际材料微结构的非均匀性，一种方法是在均匀性微结构的基础上改变微结构的几何尺寸，使其符合某种统计分布；另一种方法是改变材料的性质（如弹性模量、屈服应力、破坏强度等），使其符合某种统计分布。也有将二者结合起来的研究方法，如文献2007[22]通过改变表征泡沫铝材料微结构的立方体模型中棱截面边长，并采用Weibull统计分布函数描述材料内部立方结构初始坍塌应变，从而最大限度的表征实际材料内部微结构的非均匀性和基体材料本身的非均匀性。另一种方法就是直接采用随机几何模型来模拟泡沫铝材料的微结构，如图7所示的Voronoi随机模型，并用此模型来计算材料的力学性能[23]，这已成为当前国内外研究的热点。因为几何模型的生成具有随机性，必须借助有限元分析软件的进行数值计算，已不再是传统的理论解析方法了。图5Kelvin十四面体模型[19]图6八面体模型[21]图7开孔泡沫的Voronoi三维随机模型[23]Fig5.Kelvintetrakaidecahedronmodel[19].Fig6.Octahedralmodel[21]Fig7.3Dvoronoimodelofopen-cellaluminumfoam[23]总体而言，从细观力学角度出发，建立考虑材料细观结构特性的材料本构模型目前更多的仍停留在对准静态加载条件下的材料行为的表征上，动态力学行为的表征还需要进一步深入。3冲击波在泡沫铝材料中传播和材料的吸能特性泡沫铝材料作为一种轻质多孔新型功能材料，有关其衰减和吸收冲击波能量特性的问题较早就得到研究。国外Lapatnikov等人采用一维冲击理论模型对泡沫铝材料中冲击波的传播问题与能量吸收问题所进行的理论分析则比较有代表性。Lapatnikov等人2004[24]对动态加载条件下泡沫铝材料中冲击波的形成和传播问题做了较系统的理论分析研究。采用解析的方法和有限元计算研究了静止泡沫铝受平板高速冲击时的动态特性和能量吸收问题，指出当撞击速度与金属泡沫的声速及其构成材料的声速相比处于不同范围时，材料的动态响应具有本质的差别。分四种速度区间对平板撞击静止泡沫铝层的情况采用一维理论模型进行了计算分析。图8所示即为作者计算的四种撞击速度区间内密度为0.34g/cm3的泡沫铝材料的应力时程曲线。从图中可看出不同的撞击速度条件下，泡沫铝材料的动态响应存在明显差异。图8不同平板撞击速度区间内的泡沫铝材料应力时程曲线[24]Fig8.Stress-timecurvesofaluminumfoamatdifferentimpactvelocityofpanel[24].作者对撞击速度在低于泡沫铝基体材料声速但高于泡沫铝声速区间以及低于泡沫铝声速但高于应力应变曲线平台区域内泡沫铝材料有效声速区间内的材料动态变形及吸能特性进行了重点分析。结果表明，以上两撞击速度区间内，被撞击的金属泡沫材料内都产生了压缩冲击波。但在第二个速度区间内的撞击，泡沫铝材料内部不但在冲击波阵面上伴随有泡沫结构的压垮，而且还产生了一个前驱弹性波。在第一个速度区间内的撞击，泡沫铝的能量吸收效率只与泡沫铝的初始密度、基体金属材料密度和撞击板的质量面密度有关系。但第二个速度区间的撞击，泡沫铝的吸能效率还与冲击波传播的马赫数以及泡沫铝的极限应力有关。Lapatnikov等人关于泡沫