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閉孔泡沫鋁夾芯板交通運輸抗沖擊性能研究(10)

沖擊波在夾芯板中的傳播特性

泡沫鋁芯體夾層板中，因為鋼板的厚度小，在沖擊力作用下，產(chǎn)生的塑性變形很小，因此，夾層板體主要通過泡沫鋁被壓縮來吸收能量，隨著泡沫鋁芯體塑性變形的增大，大量的壓縮能量被吸收，而單位體積泡沫鋁芯體所吸收的能量C可由下式來表達(dá)：

C=∫^εd₀σdε                                        (2-4)

式中：ε_d為泡沫鋁芯體壓縮至致密化開始時的應(yīng)變量；σ為流動應(yīng)力；ε為應(yīng)變。對于一個給定的試件，當(dāng)應(yīng)變是ε_d時，其單位體積吸收的能量可以用應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的積分面積來表示。泡沫鋁芯體夾層板在受壓載荷時，孔壁經(jīng)歷了彈性、塑性和致密化變形階段，在線彈性區(qū)吸能不多，而在屈服平臺區(qū)應(yīng)力幾乎不變，能量被大量吸收。

沖擊波在多層結(jié)構(gòu)中的傳播以及對結(jié)構(gòu)的損傷由于結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)、沖擊波的相互作用而變的相當(dāng)復(fù)雜。然而，在碰撞或爆炸的沖擊波峰值壓力p≤100MPa時，用彈性波理論分析物體在沖擊載荷作用下所形成的應(yīng)力波的反射和透射問題，方法簡單而且非常有效。

由于泡沫鋁夾芯板由不同材料粘貼形成的，所以沖擊波首先透過鋼板然后到達(dá)泡沫鋁再到達(dá)鋼板。鋼板和泡沫鋁的波阻尼不一樣，所以沖擊波將在交界面上發(fā)生反射和透射。

沖擊波到達(dá)面板時，由分界面?zhèn)魅氲膲嚎s波首先進(jìn)入面板中，之后，壓縮波的一部分在面板與底板之間的分界面上反射，另一部分傳到底板中。以σ_i，ν_i表示傳入底板中的應(yīng)力和質(zhì)點運動速度。

根據(jù)能量守恒和動量守恒，得入射波陣面上的應(yīng)力為

σ_i=-ρ₁C₁ν_i                                        (2-5)

入射波在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射和透射，反射波陣面上的應(yīng)力(經(jīng)過反射進(jìn)入面板)為

σ_r=-ρ₁C₁ν_r                                        (2-6)

透射波入底板中的應(yīng)力波陣面上的應(yīng)力為

σ_t=-ρ₂C₂ν_t                                         (2-7)

式中：ρ₁，ρ₂分別為面板與底板的速度；C₁,C₂分別為面板與底板中應(yīng)力波的傳播速度。

在分界面上，應(yīng)力和質(zhì)點運動速度應(yīng)保持連續(xù)，因此

σ_i+σ_r=σ_t                                          (2-8)

ν_i+ν_r=ν_t                                          (2-9)

由式(2-8)和式(2-9)可以求出σ_r和σ_t。

σ_r=ρ₂C₂-ρ₁C₁/ρ₂C₂ +ρ₁C₁                               (2-10)

σ_t=2ρ₂C₂σ_i/ρ₂C₂ +ρ₁C₁  =（1+ρ₂C₂-ρ₁C₁/ρ₂C₂ +ρ₁C₁ ）σ_i       (2-11)

由式(2-11)中可以看出，當(dāng)ρ₁C₁ >ρ₂C₂時，進(jìn)入鋼板中的應(yīng)力波只是入射波應(yīng)力σ_t的一部分，且當(dāng)ρ₁C₁ 愈大時，σ_t愈小。

根據(jù)式(2-11),由于鋼板的波阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泡沫鋁的波阻抗，當(dāng)沖擊波進(jìn)入防護(hù)系統(tǒng)的泡沫鋁中時，沖擊波的強(qiáng)度已經(jīng)大大減弱，但當(dāng)波通過泡沫鋁進(jìn)入鋼板時，鋼板的波阻抗大于泡沫鋁的波阻抗，使波的強(qiáng)度有所增強(qiáng)。