爆炸荷载下泡沫铝材料中冲击波衰减特性的实验和数值模拟研究
泡沫铝爆炸冲击特性的数值研究
第 ２ 期
倪 小军等 ： 泡 沫 铝 爆 炸 冲击 特 性 的数 值 研 究
１ ２ １
Hale Waihona Puke ａ （ — — — 垒 — 兰 — ０十— ： — ＝ ！ ｊ （ ＝ 坌 — — ） Ｌ — ： — ！ — 垒 — ！
一
（ ４）
式中： Ｃ ｌ 一２ ， Ｃ ２ —０ ． ８ 。
描 述泡 沫铝在 高 速冲击 和爆 炸荷 载下 冲击特 性 的模 型 ｌ 】 ］ 。其 中， 使 用 比较广泛 的是 Ｃ ｒ ｕ ｓ ｈ ａ ｂ ｌ ｅ — Ｆ ｏ ａ ｍ 模 型 。Ｓ ． Ｐ ａ ｔ ｔ ｏ ｆ ａ ｔ ｔ ｏ等 基 于该 模型 模拟 了泡 沫铝 的冲击 特性 。而对 基 于流 体 弹塑性 模 型 的材料 和结 构
１ ． １ ． ３ 炸 药爆 轰 产 物 状 态 方 程
采 用燃烧 函数 Ｆ联结 凝 固炸药 和爆 炸产物 的状 态方 程 引， 炸 药及其 爆炸 产物状 态方 程 为 Ｐ—
式中：
８ Ｆ，
Ｆ一 ［ ｍａ ｘ （ Ｆ ， Ｆ ２ ）
（ ５）
１ 每
［ Ｄ Ｊ 、 ／ ，
１ ． １ ． ４ 材 料 状 态 方 程
凝 过 爆 固 渡 炸 炸 区 产 药 物
区 区
△ｚ△ｒ ／
为人 工黏性 。
１ ． １ ． ２ 人 工 黏 性
人工 黏性 的计算 公式 为
＊
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ２ ０ ７；修 回 日期 ：２ ０ １ ２ ０ ３ — ２ ８
基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金 重 点 项 目（ ５ １ １ ３ ４ ０ １ ２ ） ； 国家 自然 科 学 基 金 面 上 项 目 （ ５ １ １ ７ ４ １ ８ ３ ） ； 安 徽 省 高 等 学 校 省级 自然科 学 研 究 项 目重大 项 目（ Ｋ Ｊ ２ ０ １ ０ Ｚ Ｄ ０ ０ ３ ） 作者简介 ： 倪小军 （ １ ９ ８ ２ 一 ） ， 男 ， 博士研究生 。
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。
冲击载荷下泡沫铝夹芯防护结构的侵彻动力学行为研究
冲击载荷下泡沫铝夹芯防护结构的侵彻动力学行为研究泡沫铝夹芯板结构的特点是轻质、高比刚度，并具有良好的冲击波散射性能，被广泛应用于航空航天、军用汽车、船舶制造以及核工业等领域。
作为一种轻质复合装甲，不可避免地经常遭受子弹及爆轰产物、破片的冲击，只有清楚了解其抗侵彻性能，才可以使其充分发挥自身的防护能力。
为了进一步探讨泡沫金属夹芯板防护装甲的抗侵彻性能，本文从实验研究、理论建模与数值模拟三个方面对不同弹头的子弹撞击作用下泡沫铝夹芯板防护装甲的动态响应问题进行了系统深入的研究，取得如下重要成果：通过不同弹头的子弹对泡沫铝夹芯板的侵彻实验，研究了其在子弹撞击下的变形模式和侵彻失效问题，以及泡沫铝夹芯板抗侵彻性能与弹头形状、芯层厚度及面板厚度等参数的关系。
研究发现：侵彻所导致的变形和损伤主要集中在子弹头部下方区域发生，而在径向方向上几乎没有发生变形和损伤。
增加芯层厚度或面板厚度均能有效提高泡沫铝夹芯板的抗侵彻性能。
夹芯板对平头弹的抗侵彻性能最好，对球头弹的抗侵彻性能次之，对锥头弹的抗侵彻性能最弱。
建立了泡沫金属夹芯板厚靶在不同弹头的子弹撞击下的多阶段侵彻动力学理论模型，得到了侵彻阻力和瞬时速度等物理量的解析解。
并在此基础上研究了子弹几何尺寸、芯层密度、子弹入射速度等参数与能量吸收的关系。
同时应用非线性结构动态响应分析有限元程序对子弹侵彻不同面板组合、不同尺寸的泡沫铝夹芯板防护装甲的全过程进行了数值模拟，研究了其变形和失效过程，并探讨分析了影响夹芯板抗侵彻性能和整体吸能特性的参数。
结果表明：夹芯板的抗侵彻性能随着芯层密度、芯层厚度的增加而增加，夹芯板的能量吸收也随着子弹初始速度和直径的增加而增加。
夹芯板的抗侵彻性能和整体吸能特性不仅与面板材料的强度有关，也与不同强度材料的面板前后顺序有关。
文中还对多层防护甲板的抗侵彻性能进行了数值模拟研究，比较了不同数量、厚度、布置方式与层合方式的效果。
研究表明：双层靶板首层的厚度与靶板（除空气层外）总厚度的比值等于0.5时，靶板的抗侵彻性能最弱，当比值等于0.25时，靶板的抗侵彻性能最好。
不同胞孔泡沫铝对爆炸冲击波的衰减研究
不同胞孔泡沫铝对爆炸冲击波的衰减研究娄仲凯【摘要】运用LS DYNA对三种不同胞孔形状的泡沫铝在爆炸载荷作用下冲击波的衰减规律进行数值模拟研究，得到了不同位置的应力波形曲线，表明冲击波应力随传播距离的增加，应力波峰值迅速衰减，且应力峰值随传播距离呈指数规律变化，但闭孔泡沫铝衰减冲击波性能要优于开孔泡沫铝，爆炸冲击波的传播速度随时间增加呈线性衰减。
%Shock wave attenuation of three cell structure foam aluminum under blast loading was simulated by LS-DYNA. The stress wave curves obtained at different locations show that the attenuation of shock wave is rapid with the increase of transmission distance. Peak stress with propaga-tion distance is in accord with the exponential law. But closed-cell aluminum foam is superior to open-cell aluminum foam on attenuation proper-ties. The propagation velocity of blast wave decrease linearly with increase of time.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2014(000)031【总页数】3页(P51-52,53)【关键词】泡沫铝;爆炸载荷;衰减;数值模拟【作者】娄仲凯【作者单位】西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500【正文语种】中文【中图分类】TG146.2泡沫铝是一种内部含有许多孔隙的新型材料，由于其独特的结构而具有密度小，轻质、高比强度和刚度的特点，并具有良好的减震、高阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能，在军事航天工业、汽车与交通等行业有着广泛的应用空间。
泡沫铝衰减冲击波压力的理论分析
波幅值要大。泡沫铝材料在高速压缩过程 中的泊松 比
几 乎为零 。 因此 ， 片 的 冲击 过 程 可 以 运 用 一 维 冲 击 飞 波 的相关 理论进 行分 析 。 由于考 察 的 主要 对 象是 泡 沫 铝在 压实 阶段对 冲击 波 的衰 减性 能 ， 简化 分 析 ， 定 为 假 飞片、 结构 及 压 实 泡 沫铝 均 为 刚性 材 料 。因泡 沫 铝 的
相对 较少 。
为此 ， 用一 维 冲击 波 理 论 给 出 了计 算 泡 沫 铝缓 运
的其余 非碰 撞 接 触 区域 影 响 很 小 。在 正 碰 撞 作 用 下 ， 沿 碰撞 方 向的应力 波 幅值较 垂 直 于碰 撞方 向上 的应 力
冲吸 能层衰 减 爆 炸 冲击 波 压 力 的简 化理 论 计 算 公 式 。
飞片 较薄 ， 以较 高 的速 度 冲击 目标 ， 时很 短 ， 认 又 历 可 为是 面接触 。同 时对 于半 无 限长 结 构 物 的高 速 碰撞 ， 通常 是在碰 撞 面 处 发 生局 部 的弹 塑 性 变 形 ， 对 结 构 而
度 、 沫铝孔 洞 形 式 及 泡 沫 铝 厚度 等 因素 的影 响研 究 泡
分 析
如 图 １所 示 ， 密 设
内表面 、 表 面或 作 为 夹 芯设 置在 容 器 结 构 层 中间 均 外
能有 效衰 减接 触 爆 炸 下 密 闭容 器 内 的冲 击 波 压 力 ； 同 时得 出一层 １ ｍ Ａ ０ｍ ３钢板 与 一层 １ ｌ 厚 泡沫 铝 缓 ０ｎ ｍ 冲层 的衰减性 能 要优 于 两层 １ ｍ 的 Ａ ０ｍ ３钢 板 。王 宇 新等人 运用 弹性应 力波 的理论 给 出了 冲击 波在 泡 沫
泡沫铝冲击衰减特性的研究
料， 由于其 特 殊 的疏 松 孔 洞结 构 ， 轻 而具 有许 多独 质
特 的性 能 减
震 等性 能 … ， 军 事 、 在 民用 、 业 等 领 域 均展 现 出广 工 泛 的应 用 前 景 。特 别是 泡 沫 铝 的力 学性 能吸引 了许 多力 学 和材 料 方 面 研 究 者 的极 大 兴 趣 ， 关 其 力 学 有
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第２ ５卷 第 ３期 ２０ ０ ２丘 ５月
兵器 材料科学 与工 程
０Ｒ ＮＡ ＥＭ Ａ Ｒ Ａ Ｃ Ｅ Ｅ ＡＮ Ｅ Ｄ Ｎｃ ＴＥ ｌ Ｌ Ｓ Ｉ ＮＣ Ｄ ＮＧＩ Ｅ ＮＧ ＮＥ ＲＩ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ３ １２ ．
摘 要： 在轻气炮试 验装置 上对开孔泡 沫铝 的冲击衰 减特性 进行 了试 验研 究 ， 出 了在冲击 波加 载条 件 下开孔 泡 得
沫铝 中的 冲击 波压力及 波速随距离 的变化关 系曲线。结果 表 明 ： 开孔 泡沫 铝具 有 良好 的冲击 衰减 性能 ， 冲击 波 使
压力在其 中呈指数关 系衰减 ， 而波速则 随距离呈线性关 系衰 减。
测 量试 样 中 不 同截 面处 的应 力 （ 图 １ 示 ）不 同 如 ｂ所 ， 截面 处压 力 传 感 器 Ｐ ＤＦ采 集 的 电 荷 信 号 转 换 成 Ｖ
压力 的公 式 ： Ｐ ＝ ０ ０ ９１ （ ． ＋０ ０ ４１ （ Ａ） ．８ １ Ｑ／ ４） ．０ ４ Ｑ／ ＋０ ０ ０３ （ Ａ） ． ０ ５ Ｑ／ （） １
击防护材料的设计与理论分析提供依据 。
１ 试 验 方 法
１ １ 泡 沫 铝 的 制备 ．
其 中： 为压力 （ Ｐ ） Ｑ 为电荷 （ ， 为 Ｐ Ｆ Ｐ Ｇ ａ， Ｃ） Ａ ＶＤ
《泡沫铝材料动力学特性的实验研究与理论分析》
《泡沫铝材料动力学特性的实验研究与理论分析》篇一摘要：本文通过对泡沫铝材料进行一系列的动力学特性实验，包括冲击实验、振动实验等，探讨了泡沫铝在不同环境下的性能表现。
并结合相关理论，对实验结果进行了分析。
研究结果表明，泡沫铝具有良好的能量吸收和冲击缓冲特性，对于动态力学环境的适应能力较强。
一、引言泡沫铝作为一种新型轻质材料，具有轻质、高强度、良好的能量吸收和冲击缓冲性能等特点，在汽车、航空航天、建筑等领域具有广泛的应用前景。
然而，其动力学特性的研究尚不充分，本文旨在通过实验研究和理论分析，进一步了解泡沫铝材料的动力学特性。
二、实验方法与材料1. 实验材料：选用不同孔隙率、不同密度的泡沫铝材料。
2. 实验方法：（1）冲击实验：采用落锤式冲击试验机对泡沫铝材料进行冲击实验，观察其变形和破坏过程。
（2）振动实验：利用振动台对泡沫铝材料进行不同频率和幅值的振动测试，记录其响应特性。
（3）其他实验：如压缩实验、拉伸实验等，以全面了解泡沫铝的力学性能。
三、实验结果与分析1. 冲击实验结果：（1）泡沫铝在受到冲击时，表现出较好的能量吸收能力，能够有效减少冲击力对结构的影响。
（2）不同孔隙率和密度的泡沫铝在冲击过程中的变形和破坏模式有所不同，但总体上均表现出良好的冲击缓冲性能。
2. 振动实验结果：（1）泡沫铝对不同频率和幅值的振动表现出较好的适应能力，能够有效减少振动对结构的影响。
（2）随着振动频率和幅值的增加，泡沫铝的响应逐渐增大，但总体上仍保持较好的稳定性。
3. 理论分析：（1）根据泡沫铝的微观结构，建立力学模型，分析其动力学特性。
（2）结合实验结果，验证理论模型的正确性，进一步探讨泡沫铝的动力学性能。
四、讨论与结论通过实验和理论分析，本文得出以下结论：1. 泡沫铝具有较好的能量吸收和冲击缓冲性能，能够有效地减少冲击和振动对结构的影响。
2. 不同孔隙率和密度的泡沫铝在动力学性能上有所差异，但总体上均表现出良好的性能。
《泡沫铝材料动力学特性的实验研究与理论分析》
《泡沫铝材料动力学特性的实验研究与理论分析》篇一一、引言泡沫铝作为一种轻质、高强度的金属材料，在工程和科研领域得到了广泛关注。
其特殊的结构和物理性能，使得泡沫铝在各种力学环境下的响应变得非常独特。
因此，深入探究泡沫铝材料的动力学特性具有重要的实际意义。
本文将结合实验与理论分析，探讨泡沫铝材料的动力学特性。
二、实验研究1. 材料制备与样品制备实验所采用的泡沫铝材料通过熔体发泡法制备而成，经过轧制和热处理等工艺得到不同密度和孔隙结构的样品。
样品的尺寸、形状和密度均经过严格控制，以确保实验结果的准确性。
2. 动力学实验方法（1）冲击实验：采用落锤式冲击试验机对泡沫铝样品进行冲击实验，记录不同冲击速度下的应力-应变曲线。
（2）动态压缩实验：使用SHPB（Split Hopkinson Bar）装置进行动态压缩实验，观察泡沫铝在高应变率下的变形行为。
（3）声波测试：利用超声波测试系统，测定泡沫铝的声速和衰减系数，进一步推算其动力学性能。
三、实验结果与分析1. 应力-应变曲线分析通过冲击实验得到的应力-应变曲线显示，泡沫铝在受到外力作用时，表现出明显的非线性行为。
随着应力的增加，材料先经历弹性变形阶段，随后进入塑性变形阶段，最后在达到极限强度后发生破坏。
不同密度和孔隙结构的泡沫铝在力学性能上存在显著差异。
2. 动态压缩行为分析SHPB实验结果表明，泡沫铝在动态压缩下表现出较高的能量吸收能力。
在高应变率下，材料的应力峰值和平台应力均有所提高，表明其具有较好的抗冲击性能。
3. 声波测试结果分析超声波测试结果显示，泡沫铝的声速随密度的增加而增大，而衰减系数则随密度的增加而减小。
这表明密度对泡沫铝的传播速度和能量损失具有重要影响。
四、理论分析1. 泡沫铝的力学模型基于连续介质力学和细观力学理论，建立泡沫铝的力学模型。
该模型考虑了材料的微观结构、孔隙率和密度等因素对力学性能的影响。
通过对比实验结果与理论预测，验证了模型的准确性。
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第23卷 第6期爆炸与冲击V ol.23,No.6 2003年11月EXPLO SION A ND SHOCK WAV ESNov., 2003文章编号:1001-1455(2003)06-0516-07爆炸荷载下泡沫铝材料中冲击波衰减特性的实验和数值模拟研究王永刚1,胡时胜2,王礼立1(1.宁波大学力学与材料科学研究中心,浙江宁波 315211;2.中国科学技术大学力学和机械工程系,安徽合肥 230026)摘要:通过实验和数值模拟对泡沫铝中冲击波传播特性进行了研究,结果表明:冲击波在泡沫铝中传播时显示明显的衰减特性;与此同时波头升时逐渐增加。
这种衰减耗散特性主要来源于泡沫铝本身的本构粘性效应,而追赶卸载效应又会进一步促进冲击波的衰减。
这为泡沫铝作为新型抗冲击缓冲材料提供设计基础。
关键词:固体力学;冲击波衰减;P VDF 压电计;泡沫铝;爆炸载荷中图分类号:O347.4 国标学科代码:130 1575 文献标志码:A1 引 言多孔泡沫材料作为一种新型的工程材料,已被广泛地应用于易损物品的缓冲吸能包装、各类结构物抗爆炸耐冲击防护等,越来越受到航空航天、包装运输、军事防护等各领域的重视。
除已广泛应用的泡沫塑料,不同泡孔尺寸及孔隙率的多孔泡沫铝在我国已形成产业化生产。
有关泡沫铝材料在准静态和动态加载条件下的压缩行为和能量吸收机理问题,已经有了多方面的研究,并取得了初步研究成果[1~3]。
但对于爆炸载荷作用下冲击波压力传播衰减问题,研究还不多。
A.G.Evans 等[4]曾对泡沫铝的抗爆性能提出如图1所示的模型,但对于一定的爆轰波需要多厚的泡沫铝防护层,仅从能量吸收角度利用经验公式进行了推算,而对泡沫铝中波传播特性对抗爆缓冲的影响尚图1 泡沫铝的抗爆模型F ig.1 Resistance blast model of aluminum foams未进行深入的研究。
实际上,冲击波在泡沫铝材料中的传播特性,既是泡沫铝动态本构特性在结构中的重要表现形式,又是评价其抗冲击防护性能的基础,对爆炸防护设计有重要的参考和应用价值,因此进一步研究此类材料对冲击波的衰减特性显得尤为重要。
本文中利用聚偏四氟乙烯(PVDF)压电传感器与低阻锰铜计相结合的动态测试技术,直接测量爆轰波作用下泡沫铝材料中传播的压力波形,同时结合数值模拟对泡沫铝中冲击波传播特性进行研究。
2 试验方法实验装置原理如图2所示。
炸药采用普通的2#岩石炸药。
药柱直径比测压传感器敏感源尺寸大一倍以上,以减少侧向稀疏波对测试结果的影响。
试件采用厚10mm 的薄层叠合而成,并增加最后一层的厚度,以减少试样背面(自由面)发射卸载波的影响。
收稿日期:2002-12-25; 修回日期:2003-03-10基金项目:国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金项目(10076020)作者简介:王永刚(1976 ),男,硕士。
图2 实验原理示意图Fig.2 Schematic diag ram of experimental pr inciple本实验加载为短历时(10 s 量级)、陡升时(1 s 量级)的强脉冲载荷(102~103MPa 量级),要求直接测量动态压力的传感器频响高、线性度好,并在测量过程中不明显干扰冲击波传播。
王海福等[5]采用传统的锰铜压阻传感器对聚氨酯泡沫材料中冲击波压力特性进行了研究,但因泡沫材料孔隙与锰铜计敏感部分尺寸相当或更大,而导致锰铜计无法获得较理想的压阻信号,从而影响测试精度。
因此他们不得不改用间接测压实验方法,即先测出LY -12铝对冲击波压力传播的衰减系数;将不同初始密度和厚度的聚氨酯泡沫材料试件放置在LY -12铝板上,分别测出距分界面5mm 处LY -12铝中冲击波压力,并借助衰减系数推算出入射到LY -12铝中的初始冲击波压力;最后,借助分界面阻抗匹配原理和聚氨酯泡沫材料高压H ugoniot 方程,换算出聚氨酯泡沫材料中的冲击波压力。
这种方法一次实验仅能得到一个数据并且数据处理较繁。
由于PVDF 的优良的压电特性[6],我们将PVDF 薄膜压电计夹在泡沫铝试样块之间,直接测量冲击波在泡沫铝中的传播特性。
所用PVDF 压电计的厚度仅为40 m,应力波在其中传播的时间极短(约几十纳秒),可忽略PVDF 压电传感器对冲击波传播的干扰。
泡沫铝试样泡孔尺寸约1mm ,由于传感器敏感源比泡孔尺寸大一个量级才能得到有效的平均压力数据,因此采用的PVDF 压电计敏感源尺寸长宽各为10mm 。
测试电路如图3所示,当PVDF 压电计受动态应力作用后产生的电荷量Q 经电阻R 放电形成电流回路I (t)后,可由瞬态波形存储器采集到放电电阻R 上的电压V (t),则可据此求得PVDF 压电计在这瞬态过程中释放的总电荷量Q =ti(t )d t = tV (t)/R d t(1)则PVDF 压电计所测定的瞬态应力=K Q /a (2)式中:a 为PVDF 压电计的工作面积,K 为PVDF 压电计的灵敏度系数。
K 的动态标定在SH PB 上进行的,标定得K =40.9GN/C 。
同等条件下,PVDF 压电计在泡沫铝中两次测得的电压波形如图4所示。
图3 P VDF 压电计测量电路Fig.3 T he measurement circuit of PV DFgauge图4 两次实验PV DF 记录的波形的比较Fig.4 Compar ison o f w aveforms r ecorded by P VDF g augesPVDF 压电计不耐炸药爆炸产生的高温,因而采用低阻锰铜计来测炸药-钢板接触爆炸界面上的压力。
锰铜计测压原理如图5所示,炸药起爆后将使置于炸药底部的游离式探针导通触发网络源,网络源再触发恒流源,恒流源将在锰铜计的脚线之间通过一持续时间约200 s 的恒电流,爆炸产生的高压作用517第6期 王永刚等:爆炸荷载下泡沫铝材料中冲击波衰减特性的实验和数值模拟研究锰铜计前的电压值为V 0。
当高压作用时,锰铜计电阻发生改变,从而引起电压改变,此时压力p =k (V -V 0)/V 0(3)式中:k 为锰铜计标定系数。
对所采用的锰铜计经气炮标定,k =40.2GPa。
图5 锰铜计测试系统示意图F ig.5 Schematic diagram of M n -Cu gauge3实验结果与讨论图6 锰铜计采集到的原始电压曲线Fig.6 T he original voltage curve recorded by Mn -Cu gaug e图6为典型的实测电压-时间原始曲线,V 0=0.282V,V =0.341V,根据式(3)计算得钢板上所承受压力为8.41GPa 。
图7给出了图2所示的三个PVDF 压电计采集到原始波形。
按式(1)~(2)所换算而得的应力波波形如图8所示。
由此可见冲击波在泡沫铝中传播时有比较明显的衰减过程,同时冲击波在传播过程中形状发生了变化,上升沿逐渐被拉长。
实际上本实验是根据一定的工程应用背景安排的,没有采用平面波发生器进行加载,所以加载波并不是平面波而更接近于球面波。
实验得到的冲图7 PV DF 记录的电压波形Fig.7 Wavefo rm recorded by P VDFgauges图8 PV DF 记录的应力波形Fig.8 Stress versus t ime recorded by PV DF gauges图9 压应力随距离变化曲线F ig.9 Curv es of str ess versus distances518爆 炸 与 冲 击 第23卷击波在泡沫铝中传播时的衰减是由球面波扩散效应引起的衰减和泡沫铝本构效应引起的衰减共同作用的结果。
理论上认为:强间断球面弹性波的应力幅值随距球心距离的增大,与半径成反比地衰减[7]。
图9给出了理论计算球面波扩散效应和实验测得的最大压应力随传播距离而衰减的变化特性。
分别对他们进行拟合,可表达如下的指数衰减形式(x )=a +b e -x /c(4)衰减因子分别为2.07、0.37。
从图9中可以看出,冲击波在泡沫铝中传播时的衰减主要是由泡沫铝的本构特性效应引起的。
另外,发现PVDF 采集到的电压正向波形都具有双峰,这一特征是与压力波形加载段上出现两段不同斜率的曲线相对应的,而这又可追溯到泡沫材料的本构特性。
泡沫材料变形一般经历三个阶段:弹性段、屈服段、压实段。
从时间上推算,电压正向波形上的第一个峰对应于压力值处于泡沫铝弹性段向屈服段过渡时的应力值;而第二个峰则对应于压力值处于屈服段向压实段过渡时的应力值。
由于PVDF 测得的电压波形需通过积分才可以转化为压力/应力波形,所以说电压波形实质上与压力/应力对时间的变化率对应。
泡沫材料在屈服段一般随变形大大增大而应力仅缓慢增加,甚至保持平台,因而应力率在这个阶段将减小,但到压实段后将会增大,从而导致了正向波形双峰结构。
所以说正向波形双峰结构正是泡沫铝本构特性在波形上的体现。
上述现象清楚地表明泡沫铝具有明显的粘性效应,正是材料粘性效应可导致波传播中波幅随传播距离而衰减和弥散的现象[7]。
4 数值模拟4.1 LS -DYNA3D 程序LS -DYNA 是一个以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序,可以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞,爆炸和金属成型等非线性问题。
LS -DYNA 程序采用Lagrangian 描述,质量守恒方程、动量守恒方程与能量守恒方程分别为J = 0(5) i j ,j + f i = x i (6)图10 模型与单元划分F ig.10 M odel and division of elementE =VS ij ij -(p +q )V (7)式中: 为当前质量密度;J 为相对体积; 0为初始质量密度; ij 为柯西应力;f i 为单位质量体积力; x i 为加速度;V 为现时构形的体积;S ij 为偏应力; ij 为应变率张量;p 、q 分别为压力和体积粘性阻力。
根据虚功原理,有Vx ix id V + V ijxi ,jd V -Vf ix id V - S 1g ix id S =0(8)式中:g i 为作用在S 1边界上的面力载荷。
上式中各项分别表示单位时间内体系的惯性力、内力和外力(体力和表面力)的虚功。
再加上材料的本构方程将构成问题的全部方程。
4.2 有限元模型数值模拟模型尺寸与试验试样大小相同,即钢板尺寸为120mm 120m m 5m m,泡沫铝尺寸为120mm 120mm 30mm 。
由于模型的对称性,采用四分之一的模型(如图10)进行计算。
钢板单元与泡沫铝的对称面采用对称约束。
对泡沫铝底面施加了无反射边界条件,以避免应力波从模型的边界反射。