1、书书书振 动 与 冲 击第 34 卷 第 4 期 JOUNAL OF VIBATION AND SHOCK Vol34 No4 2015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
2、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
3、: 泡沫铝 ; 夹芯板 ; 压入 ; 侵彻 ; 能量吸收效率因子中图分类号 : TB124 文献标志码 : A DOI: 1013465/j cnki jvs201504001Tests for indentation and perforation of sandwich panels with aluminium foam coreLI Zhi-bin， LU Fang-yun( College of Science， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China)Abstract: Indentatio
4、n and perforation behaviors of sandwich panels with composite face sheets and closed-cellaluminium foam core were investigated experimentally Quasi-static and low-velocity impact tests were conducted by usinga MTS system and a drop hammer tester， respectively Experimental results showed that the def
5、ormation and failure of thesandwich panels are roughly confined to the area underneath the indenter and the material outside the contact area seemsto be intact Effects of some key parameters， such as， impact energy， face sheet and core thicknesses， core density，indenter nose shape， and boundary cond
6、itions on the overall energy absorption behavior of the panels were studied andcompared with an energy-absorbing efficiency factor It was showed that the energy-absorbing efficiency of the panels issensitive to its structural parameters; increasing the upper face sheet thickness and the thickness of
7、 core or the relativemass density of core can effectively improve the energy-absorbing ability and the ability against indentation and perforationof 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
8、and hammer and boundary conditions have significant effects on the responses of identation andperforation and the energy-absorbing performance of the panelsKey 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
9、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
10、 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 (
11、 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 m 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 0mm。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 135%时出现横向脆断 ， 极限强度 330 MPa， 且试件厚度对材料
12、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 ( 0 06， 0 085，0125， 020 和 025) 以及 4 种芯层厚度 Hc( 10 mm， 15mm， 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= 25 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Ta
13、b1 Mechanical properties of aluminum foams相 对密度弹性模量 /MPa屈服强度 /MPa平台应力 /MPa压 实应变0060 220 347 415 0560085 320 463 424 0590125 430 608 677 0690200 560 876 741 0710250 750 1037 895 0651. 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 15
14、0 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-EndedPunch， 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Fig1 Photographs of the specimen clamp图 2 压头几何形状和尺寸示意图Fig2 Schematic of geometryand dimensions of the in
15、denters13 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 0mm; 芯 层厚度 Hc= 15 mm; 下 层面板厚度 Hlf= 1 5mm; 芯 层相对密度 = 0085; CNP) 抗侵彻性能的影响 ; 第 2 组比较了不同上下面板厚度 ( 12 mm， 15 mm和 20 mm) 对夹芯板 ( Hc=15 mm; = 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
16、mm) 和 芯层相对密度 ( = 006， 0085， 0125， 020 和 025) 对夹芯板 ( Huf=20 mm; Hlf=15 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=12 mm， = 0085) 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; = 025; SEP) 压入性能的影响
17、; ( 2) 不 同泡沫铝芯层相对密度 ( = 0 125， 0 20 和 0 25) 对夹芯板 ( Huf= 15 mm; Hlf=25 mm; Hc=15 mm， SEP) 压入 性能的影响 ; ( 3) 压 头形状对夹芯板 ( Huf= 1 2mm; Hlf= 25 mm; = 235%) 压入性能的影响 。2 振 动 与 冲 击 2015 年第 34 卷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
18、 。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-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
19、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Fig3 Photographs of upper face-sheet andfoam core damage of indented sandwich panels图 4 夹芯板侵彻变形和破坏图Fig4 Photographs of
20、face sheet and foamcore damage of perforated sandwich panels2. 2 能量吸收效率因子能量吸收效率因子 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 : =0FdsVufr0fd + Vcr0cd + Vlfr0fd( 1)式 中 : F 为载荷 ， s 为压头位移 ， 为压头最大位移 ，
21、 为单轴拉伸应变 ， r为面板材料的最大断裂 应变 ， f为 面板材料的拉伸强度 ， c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， 6kg， 12 kg， 18 kg 和 24 kg) 和不同冲击速度 ( 1 m/s， 2m/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
22、3第 4 期 李 志斌等 : 泡沫铝夹芯板压入和侵彻性能的实验研究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 1， 甚至
23、05。图 5 冲击能量的影响Fig5 Effects of impact energy3. 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15 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
24、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
25、度的影响Fig6 Effects of face-sheet thickness图 7 芯层参数的影响Fig7 Effects of foam core parameters33 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4 振 动 与 冲 击 2015 年第 34 卷侵 彻能力最优 。相同形状压头压入作用时 ， 刚性面支撑 ( igid Supported， S) 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 ( FullyFixed， FF)
26、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Fig8 Effects of indenter noseshape and boundary conditions4 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
27、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 1 Zenkert D An introduction to sandwich constructio
28、n M Sheffield: Engineering Materials Advisory ServicesLtd ， 1995 2 庞宝君 ， 郑伟 ， 陈勇 基于 Taylor 实验及理论分析的泡沫铝动态冲击特性研究 J 振动与冲击 ， 2013， 32( 12) :154 158PANG Bao-jun， ZHENG Wei， CHEN Yong Dynamic impactbehavior of aluminum foam with a taylor impact test and a the-oretical analysis J Journal of Vibration and S
29、hock， 2013，32( 12) : 154 158 3 Abrate S Impact on composite structures M Cambridge:Cambridge University Press， 1998 4 Hazizan M A， Cantwell W J The low velocity impact re-sponse of an aluminium honeycomb sandwich structure J Composites Part B: Engineering， 2003， 34 ( 8) : 679 687 5 邓 磊 ， 王安稳 ， 毛柳伟 ，
30、 等 方孔蜂窝夹层板在爆炸载荷下的 吸 能 特 性 J 振 动 与 冲 击 ， 2012， 31 ( 17) :186 189DENG Lei， WANG An-wen， MAO Liu-wei， et al Energyabsorption characteristics of a square hole honeycomb sand-wich plate under blast loading J Journal of Vibration andShock， 2012， 31( 17) : 186 189 6 Zhao H， Elnasri I， Girard Y Perforation
31、of aluminium foamcore sandwich panels under impact loading-an experimentalstudy J International Journal of Impact Engineering，2007， 34 ( 7) : 1246 1257 7 Hou W H， Zhu F， Lu G X， et al Ballistic impact experi-ments of metallic sandwich panels with aluminium foam core J International Journal of Impact
32、 Engineering， 2010， 37( 10) : 1045 1055 8 Ivaez I， Santiuste C， et al Numerical modelling of foam-cored sandwich plates under high-velocity impact J Com-posite Structures， 2011， 93 ( 9) : 2392 2399 9 敬 霖 ， 王志华 ， 宋延泽 ， 等 泡沫金属子弹撞击载荷下多孔金属夹芯板的动态响应 J 振动与冲击 ， 2011， 30( 12) : 22 27JING Lin， WANG Zhi-hua， S
33、ONG Yan-ze， et al Dynamicresponse of a cellular metallic sandwich panel subjected tometal foam projectile impact J Journal of Vibration andShock， 2011， 30( 12) : 22 27 10 uan D， Lu G， Wong Y C Quasi-static indentation tests onaluminium foam sandwich panels J Composite Structures，2010， 92 ( 9) : 2039
34、 2046 11 Nettles A T， Douglas M J A comparison of quasi-static in-dentation to low velocity Impact NASA/TP 2000 210481， 2000 12 Yan L， An X F， Yi X S Comparison with low-velocity im-pact and quasi-static indentation testing of foam core sandwichcomposites J International Journal of Applied Physics a
35、ndMathematics， 2012， 2 ( 1) : 58 62 13 Jones N Energy-absorbing effectiveness factor J Internation-al Journal of Impact Engineering， 2010， 37( 6) : 754 765 14 Li Z B， Yu J L， Guo L W Deformation and energy absorp-tion of aluminum foam-filled tubes subjected to oblique load-ing J International Journal of Mechanical Sciences， 2012，54( 1) : 48 565第 4 期 李 志斌等 : 泡沫铝夹芯板压入和侵彻性能的实验研究
