冲击波作用下泡沫铝-钢层合板的变形模拟

摘要：利用ANSYS/LS-DYNA程序对泡沫铝-钢层合板的变形情况进行数值模拟，验证了泡沫铝-钢层合板具有良好的缓冲吸能特性，结果表明，在冲击波作用下，层合板产生较大的塑性变形，从而吸收转化了部分冲击波能量。最后，给出了泡沫铝-钢层合板的吸能机理。

关键词：冲击波；泡沫铝-钢层合板；数值模拟

目前，常规武器对战场上防护掩体的杀伤手段主要有航炮弹、钻地弹、钻爆弹等，它们主要是通过破坏防御工事来达到杀伤内部人员的目的，但随着科技的发展，战场上爆炸产生的强冲击波已成为杀伤人员的重要手段之一，即便是弱冲击波，也可以对防护掩体内部人员造成很大的伤害。因此，为了有效的防护冲击波毁伤，本文提出了一种新材料，泡沫铝-钢层合板，该层合板有两种材料组成：上下两层钢板和芯层材料泡沫铝，其中泡沫铝为核心材料，具有优良的缓冲吸能特性以及衰减冲击波的性能。再加上下两层的钢板，使得层合板既可以做到满足强度的要求，又可以做到最大限度的吸收冲击波能量，是一种有效的冲击防护及冲击波衰减材料。为了验证冲击波作用下层合板的缓冲吸能特性，本文利用ANSYS/LS-DYNA程序对泡沫铝-钢层合板的变形情况进行数值模拟。

一、模型

在尺寸为150cm×150cm×2cm的泡沫铝-钢层合板的中央，放置一尺寸为4cm×3cm×150cm的长条形炸药。在炸药上端采用线起爆方式，模拟分析层合板对爆炸冲击波能的吸收情况。模型如图1所示。

二、模拟结果及分析

比较图3和图4，可以看出层合板在爆炸荷载作用下上部钢板首先屈服，接着泡沫铝层的上部单元被压实，胞壁在不断的自上而下崩塌，是一种分层压实的变形机制。弹性阶段，压应力很小，试件受压产生弹性变形，泡沫铝处于线性弹性形变范围，胞壁经受弹性形变的过程；塑性平台区主要反映了泡沫铝孔结构被压垮屈曲的过程，在此阶段，由于压力的增加，有个别孔壁首先被压垮，其所在层面上的其余胞壁产生应力集中，导致整层胞孔被压垮。而致密区则反映泡沫铝被压实后的变形过程，试件中的胞孔全部被压垮，压实，孔壁基本材料的应力-应变特性开始出现，导致应力急剧增加。

2、泡沫铝中心单元的位移时程曲线。泡沫铝中心单元的位移时程曲线如图5所示，单元1801是与上部钢板接触的泡沫铝中心单元，单元1651是与下部钢板接触的泡沫铝中心单元。

由图5可以看出，当爆轰波传递到泡沫铝单元时，泡沫铝的上层单元也发生塑性变形，隨着应力的急剧增加，单元1801的位移也迅速增大，变形持续整个过程，爆轰波能量也被衰减。单元1651的位移比单元1801小，这是由于单元1651还处于平台屈服阶段，此时的爆轰波能量已经部分被泡沫铝单元和上部钢板单元衰减，已不足以再使底层的泡沫铝单元和下部钢板单元发生大的塑性变形。

3、钢板单元的压应力时程曲线。

图6显示上部钢板应力值比较大，达到5.8GPa，而且在刚开始的40ms内，钢板的压应力值出现多次波动。随着爆轰波的继续传播，上部钢板的压应力值也逐渐衰减。图7表明下部钢板的压应力值比较小，约是上部钢板压应力值的0.15%，且在爆炸过后的70ms内应力几乎没有变化，在最后的50ms内压应力也是增加缓慢。由此可以得到，泡沫铝在中间层发挥了良好的吸能作用。

三、泡沫铝-钢层合板的吸能机理

层合板的吸能效能分别由钢板和泡沫铝承担，因此可以得出层合板的吸能机理为：首先，钢板发生塑性变形吸收部分能量；接着泡沫铝发生塑性形变，泡沫铝孔壁在变形过程中相互摩擦时，能量转化为内能，泡沫铝中有空气，空气在冲击波作用下绝热压缩，这就导致冲击波的能量在传播过程中部分被耗散，剩余部分向前传播；因为有了第二层钢板的存在，利用其刚度大的特性，在剩余冲击能量透射过程中，降低了内层层裂产生的破坏效应。

四、结语

本文利用ANSYS/LS-DYNA程序，对泡沫铝-钢层合板在冲击波作用下的变形情况进行数值模拟，验证了泡沫铝-钢层合板具有良好的缓冲吸能特性。结果表明，在冲击波作用下，层合板产生较大的塑性变形，从而吸收转化了部分冲击波能量。最后，给出了泡沫铝-钢层合板的吸能机理。这些机理导致冲击波的能量在传播过程中被耗散，只有较少部分向前传播，应力越高，变形越大，吸收的能量越高。

参考文献

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[2] 李斌潮，赵桂平，卢天健，闭孔泡沫铝低速冲击防护的临界条件与优化设计[D]，固体力学学报，2011.

[3] 陳成军，谢若泽，张方举，内部填充泡沫铝的柱壳力学响应数值模拟[D]，爆炸与冲击，2011.

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