李树森 李苗 张岩

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

木材泡沫铝作为一种新型层叠结构材料，成为工程材料行业和军事领域广为关注的热点。研制一种木材泡沫铝层叠新型材料结构，既发挥了木材原有的优良特性，同时也发挥了泡沫铝材料刚度高、强度高、密度低和吸能性好的特点，使其在工程材料行业中发挥重要作用。

木材泡沫铝层叠结构材料的抗侵彻问题相对单层板复杂。文献[1]利用仿真实验，研究了高速撞击状态下复合材料破坏形式的状态、能量的系统转化和内部节点的力学特性。Corbett et al.[2]对层叠结构材料厚度、分层数、材料连接性能、杆弹形状、层叠结构层间间隙及层叠顺序等影响因素进行了研究分析；牛卫晶[3]研究了泡沫铝层叠板在3种形状杆弹侵彻下的动态力学性能和变形破坏模式；李志斌等[4]研究了复合材料与泡沫铝组成层叠板在低速冲击下的力学性能；叶楠等[5]研究了PVC夹芯板在高速加载时的力学变形、动态响应和失效模式；谢文波等[6]做了不同角度时对碳纤维复合材料的贯穿试验，并分析出侵彻角度对能量吸收和弹道极限速度的影响；李树森等[7]提出了一种金属板和杨木胶合板叠加在一起的层叠结构材料，分析了其抗侵彻特性和损伤形式。目前研究主要集中在金属复合材料上[8]，对非金属材料与金属材料复合的层叠结构材料的抗侵彻特性研究较少，有限的研究也多集中于数值仿真。笔者以木材、泡沫铝板为材料，经层叠制作2种型号(T5T10T5和T10T15T10)木材泡沫铝层叠结构靶板，利用一级轻气炮发射卵形头和平头杆弹对靶板进行瞬态加载试验，分析靶板抗侵彻性能和失效模式，旨在为分析木材泡沫铝层叠结构材在工程实际中的抗侵彻性能和失效模式提供参考。

1 材料与方法

泡沫铝板由杭州某合金科技有限公司提供，密度0.45 g/cm3、抗压强度6.4 MPa、抗弯强度11.0 MPa。木材在WDW电子万能试验机进行静态试验，测得其抗拉强度71.65 MPa、抗弯强度46.52 MPa、屈服强度41.96 MPa、弹性模量522.34 MPa。

木材泡沫铝层叠结构靶板厚度分别为20、35 mm，尺寸均为200 mm×200 mm，通过螺栓固定在靶架上(见图1)；靶板有T5T10T5(由5 mm木板、10 mm泡沫铝板、5 mm木板层叠)、T10T15T10(由10 mm木板、15 mm泡沫铝板、10 mm木板层叠)。杆弹为高强度45钢，硬度HRC=55.1，分为平头、卵形头。平头杆弹直径15.9 mm、长37.21 mm、质量60.39 g；卵形头杆弹直径15.9 mm、曲率半径与直径之比为3、质量69.75 g。为使杆弹质心前移，保证正加载靶板，杆弹后端开有直径6.2 mm、长10 mm的孔。

试验在哈尔滨工业大学高速撞击研究中心的试验装置上进行(见图2)。参考文献[9]中的试验方法，对靶板进行瞬态加载试验。杆弹初始速度由一级轻气炮的高压气室内氮气压力决定，经过发射管，由激光测速系统和高速摄像系统进行测试，最终于靶仓内撞击靶板，并用沙箱作为缓冲保护装置。高速摄像机型号为FASTCAMSA-Z、帧率为20 000 fps，每隔50 μs采集1次数据和图像。

2 结果与分析

2.1 弹道极限速度

试验中，杆弹的初始速度范围31.3～140.3 m/s，将平头杆弹和卵形头杆弹分别对T5T10T5、T10T15T10靶板进行8次加载试验(见表1)。通过高速摄像机实时记录侵彻全过程，追踪杆弹撞击及贯穿靶板的情形，并获取图像资料；间接测量杆弹贯穿靶板后的剩余速度。

表1 平头杆弹和卵形头杆弹对2种靶板加载试验的初始速度和剩余速度

当杆弹的剩余速度为0时，代表杆弹未能贯穿靶板。根据表1中的数据可知，卵形头杆弹未能贯穿T5T10T5靶板3次、未能贯穿T10T15T10靶板4次；平头杆弹未能贯穿T5T10T5靶板2次、未能贯穿T10T15T10靶板2次；其余杆弹均贯穿靶板。

根据Recht et al.[10]提出的经验公式，得出杆弹初始速度-剩余速度关系为：

(1)

式中：vi为初始速度；vr为剩余速度；vb1为极限速度；a、p为待定常数。

通过对初始速度-剩余速度的数据进行最小二乘法拟合，得出1条与数据最相符的曲线(见图3)，即可得到a和p，该曲线与x轴的交点即为弹道极限速度(见表2)。

由图3可见：①不同形状杆弹加载相同靶板的弹道极限速度相近，且卵形头杆弹的弹道极限速度稍大于平头杆弹；②靶板的结构和厚度，对其抗侵彻特性有很大影响，同种杆弹加载T10T15T10靶板的弹道极限速度，明显高于加载T5T10T5靶板的弹道极限速度；③随着杆弹初始速度增加，靶板对卵形头杆弹的抗侵彻性能逐渐减弱，这是由杆弹加载靶板后的损伤情况和耗能方式不同所导致的。

表2 弹道的极限速度和模型参数

由表2可知，通过拟合得出的平头杆弹与卵形头杆弹贯穿2种靶板的极限速度，均符合真实试验情况，证明最小二乘法拟合可以实现对杆弹极限速度的预测。

2.2 靶板变形和损伤模式

2.2.1 T10T15T10靶板损伤模式

图4和图5分别为平头杆弹和卵形头杆弹贯穿T10T15T10靶板的高速摄影图像。图4(a)和图5(a)为2种杆弹加载靶板的初始时刻，即杆弹即将与靶板发生接触。由图4(b)可见，当平头杆弹加载靶板且全部进入靶板时，靶板被冲出一个较大的塞子和一些大碎片；图4(c)为平头杆弹完全贯穿靶板时的情况，没有更多的大碎片被冲出，靶板贯穿侧表面未出现明显破坏，但在平头杆弹尾部周围有较多被冲出的细小碎片。由图5(b)可见，当卵形头杆弹加载靶板且全部进入靶板时，没有形成较大的塞子，但飞出较多小碎片；图5(c)为卵形头杆弹完全贯穿靶板时的情况，没有更多的小碎片被冲出，但在靶板贯穿侧表面出现小范围破坏。对比2种杆弹的加载结果，在加载过程中均未见到靶板出现明显的结构变形。

图6给出部分靶板的损伤照片，分别为平头杆弹和卵形头杆弹以不同速度加载T10T15T10靶板前后损伤模式。图6(a)是平头杆弹加载靶板反弹情形，正面为边缘整齐的剪切坑，背面未发生明显变化；图6(c)是卵形头杆弹加载靶板反弹时的情况，正面形成和杆弹形状一致的加载坑，背面产生轻微开裂。图6(b)和图6(d)分别是平头杆弹和卵形头杆弹加载后嵌入靶板内的情形，正面孔口边缘有轻微碎片崩落，背面有较大面积剥落，此时初始速度接近弹道极限速度，穿孔直径接近杆弹直径。平头杆弹以不同速度贯穿靶板的情形、损伤情况与图6(b)相似，孔径和剥落形式接近。当杆弹加载靶板处于反弹或嵌入状态时，平头杆弹的加载会使第二层泡沫铝无明显弹孔，但变形较大，且与第一层木板连接在一起；卵形头杆弹加载靶板，靶板有弹孔，孔口边缘开裂变形较小，且2层层叠未连接在一起。

2.2.2 T5T10T5靶板的损伤模式

T5T10T5靶板在不同初始速度时的最大挠度值见表3，图7描绘了靶板的最大挠度与初始速度之间的关系。由表3可知，靶板的最大挠度在弹道极限速度附近达到最大，随初始速度的增加而减小。说明杆弹初始速度超过弹道极限速度后，初始速度越大，靶板越接近局部破坏，整体变形越小。

表3 T5T10T5靶板在平头杆弹不同初始速度加载时的最大挠度(hm)

由图7可见：4种不同初始速度的平头杆弹加载时，靶板在不同径向距离处的挠度变化趋势相同，挠度均随径向距离的增加而减少；在相同的径向距离处，随平头杆弹初始速度的增加，靶板的挠度增大；损伤形式为贯穿时的靶板的挠度，大于损伤形式为反弹或嵌入时的靶板的挠度。

3 结论

对于2种木材泡沫铝层叠结构靶板，卵形头杆弹的极限速度都高于平头杆弹，此时靶板对卵形头杆弹的抗侵彻性强于平头杆弹；随着初始速度增大，相同初始速度时卵形头杆弹的剩余速度大于平头杆弹，此时靶板对平头杆弹的抗侵彻性要强于卵形头杆弹。

2种杆弹贯穿靶板后，靶板变形和损伤模式相似，均为正面穿孔、背面脱落、孔口直径与杆弹直径接近。同时，两者存在区别，卵形头杆弹贯穿靶板，是因为瞬态加载使靶板失效变形；而平头杆弹贯穿靶板，是由于剪切使靶板损伤变形。

靶板背面中心处形成一定挠度，孔口边缘处挠度最大；当杆弹初始速度超过弹道极限速度，初始速度越大，整体变形越小，靶板越接近局部破坏。