轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展.pdf

C2023力学进展版权所有ancesinMec53(2)：:39 5-432研究综述力展进学2023年6 月第2 期第53 卷轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展崔天宁1,2秦庆华1,*1西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室，极端环境服役性能与防护技术西安市重点实验室，西安7 10 0 492中国兵器工业第2 0 3研究所，西安7 10 0 6 5摘要多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构，具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性，在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注，且已有诸多成功的工程应用案例，是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构.为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理，进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围，对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望，依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型，分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究，展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.关键词夹芯结构，多孔材料，弹道极限，侵彻，能量耗散，破坏机制，轻量化中图分类号：0 347文献标识码：AD0I:10.6052/1000-0992-23-002收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 1；录用日期：2 0 2 3-0 3-13；在线出版日期：2 0 2 3-0 3-2 4E-mail:引用方式：崔天宁，秦庆华.轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展.力学进展，2 0 2 3，53(2)：39 5-432Cui T N,Qin Q H.Ballistic performance of lightweight cellular sandwich structures:A review.Ad力396展2023年第53 卷进学1引言1.1轻质多孔夹芯结构概述随着科学技术的进步，现代战争中先进的穿甲、破甲和碎甲武器日益对机动车辆、舰船和飞行器等设备造成了全方位、立体化的威胁，装甲防护技术亦随着先进材料、结构和制造技术的迭代更新而快速发展.复合装甲是由多种不同材料复合而成的多层装甲，是现代装甲防护设计的重要研究方向之一，已得到了广泛的应用.兼具承载能力和多功能性的轻质夹芯复合装甲是近几年复合装甲设计与制造的研究热点，主要由均质实体面板和轻质功能材料芯材构成，最早可追溯至18 49 年轰炸机的机身结构设计.轻质多孔夹芯复合结构则是一类以轻质多孔材料为芯材的夹芯复合结构，其以自然界中的植物茎秆、昆虫翅膀、鸟类羽毛和动物骨骼等多孔生物结构为设计灵感而制成，可实现高效承载和减重等效果，如图1所示.如今，轻质多孔夹芯复合结构已广泛应用于航天航空、国防军工、交通运输等领域.如图2 所示，波音公司的7 8 7 客机采用了占整机重量达50%的复合材料夹芯结构，该公司还与索尔维公司联合开发的新一代高性价比复合材料CYCOMEP2750将进一步提高复合材料夹芯结构在客机零部件中的占比（吴志恩2 0 0 8);欧洲Pendolino高速列车的车身上大量使用了ROHACELL51S泡沫夹芯结构（王杰2 0 13)；美国军方使用一种正弦波纹型复合材料夹芯结构来改装CH-46E海骑士运输直升机，可实现2 5g40g加速度下的安全着陆（Jacksonetal.2015)；国际空间站等航天器采用了Whipple夹芯防护结构来抵抗微流星体的冲击作用（胡波等2 0 0 4)；联盟号载人飞船返回舱座椅和嫦娥三号、五号探测器的着陆支架则采用了蜂窝夹芯结构来吸收着陆时的冲击能量(荣伟2 0 18).轻质多孔夹芯结构通常由薄而高强的均质前后面板以及厚而多孔的芯层组成，具有梁、板、壳和管等典型几何构型，如图3所示.前后面板一般由金属、陶瓷或复合材料等制成，主要提供抗拉和抗弯能力.芯层则主要由各类轻质多孔材料构成，用于提高结构的截面惯性矩以及抗剪切能力因此与传统均质结构相比，轻质多孔夹芯结构具有较高比强度和比刚度.在某些加载条件下，轻质多孔夹芯结构的承载能力可能主要由其中一侧面板提供，因此可采用面板材料物理、几何性能的非对称设计以提高结构的承载效率（Kim&Swanson2004，Vi n s o n 2 0 0 1).而对多孔材料芯材的几何构型、材料属性、密度梯度等特性进行多功能优化设计，可使轻质多孔夹芯结构实现超越传统均质材料的功能，满足诸如高效防护、负泊松比、性能调控、吸波隐身、热流传导等前沿需求.根据目前已见诸公开报道的轻质多孔夹芯结构，将其按多孔芯材细观结构有序程度的不同加以分类（图4），具体可分为无序多孔夹芯结构、有序多孔夹芯结构和混杂多孔夹芯结构三类.其中，无序多孔夹芯结构的芯材主要包括泡沫材料和金属纤维多孔材料，有序多孔夹芯结构的芯材主要为格栅材料、点阵材料，混杂多孔夹芯结构则是一种以金属和非金属材料混杂复合而成，或以不同构型的多孔材料芯材混杂复合而成的轻质夹芯结构.1.1.1有序轻质多孔夹芯结构(1)格栅芯材格栅材料一般由金属或非金属二维平面周期性胞元材料沿不同方向拉伸而成，可用于制成397第2 期崔天宁，秦庆华：轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展hornbill bird beak10m150X2000X5000bird wingbone自然材料仿生学人工材料D0.5nmA20mnmummmm图1多孔材料的仿生设计蜂窝夹芯结构和波纹夹芯结构.蜂窝夹芯结构的芯材构型主要有三角形（triangle）、四边形(square）、六边形（hexagonal）、菱形（diamond）、K a g o me 型以及正方静不定型（square staticindeterminate）等（方岱宁等2 0 0 9)，如图5；而波纹夹芯结构的芯材构型主要有三角形（triangle）、四边形（square）、梯形（trapezoid）、圆弧形（curved）等（Valdevitet al.2004）传统构型，以及由此衍生出的正交波纹（orthogonal）（Zh u e t a l.2 0 2 1，朱源等2 0 2 0）和双向波纹（Bi-directional)(Yang etal.2017)等新构型，如图6 所示.格栅材料在受到面内（垂直于拉伸轴线方向）和面外（平行于拉伸轴线方向）压缩载荷时，具有截然不同的变形模式.在面内压缩载荷作用下，四边形以及六边形格栅材料的变形模式为弯曲主导型，而其他构型的格栅材料则为拉伸主导型（范华林等2 0 0 8).与弯曲主导型格栅材料相比，拉伸主导型格栅材料具有更高的强度与刚度.(2)点阵芯材点阵材料最早由Ashby和Gibson等提出(Deshpandeetal.2001,Evans etal.2001)，是由金属或非金属杆件在三维空间中以周期性规律排列而形成的一种空间桁架结构，具有孔隙率高、可设计性强等特点.根据胞元形状的不同，目前常见的点阵材料有四面体型（tetrahedral）、金字塔型（pyramidal）、三维Kagome型等（Wadley2006)，如图7.通过胞元结构的拓扑优化设计，力398展进学20233年第53 卷abCNRCde图2轻质多孔夹芯结构的应用.（a)CYCOMEP2750复合材料夹芯结构（图自索尔维公司），（b)Pendolino高速列车车头（王杰2 0 13)，（c）CH-46 E海骑士运输直升机(Jacksonetal.2015)，（d）联盟号载人飞船返回舱座椅（荣伟2 0 18)和(e）嫦娥三号探测器着陆支架（荣伟2 0 18)可调控结构的变形主导模式，使其具有高效的承载能力.由于其具有轻质高强、高效散热吸波、可多功能设计等特性，点阵材料已逐步应用于航空、航天、航海结构设计等领域.(3）力学超材料芯材力学超材料是一类经过严格而复杂的人工设计后，具有了超越常规均质材料力学特性的新兴轻质多孔材料，体现了一种全新的材料设计理念.得益于增材制造等先进制造技术的发展，具有繁复细观结构和苛刻尺寸要求的力学超材料的加工难度大幅降低，由此逐渐成为新的研究热点.目前，已见诸报道的力学超材料创新构型可实现超轻、拉胀、压扭、多稳态、手性、负泊松比等超常规力学特性（图8），已逐渐应用到轻质多孔夹芯结构的芯材设计当中（张璇和李晓雁2021).此外，将自相似和多层级设计理念引入到传统格栅、点阵多孔材料，还可获得一类具有高比强度、近似各向同性和多尺度联动等优异特性的多层级力学超材料（Babaketal.2013,Fang et al.2018,Qin et al.2020,Wang et al.2023,Wang et al.2017,Zhang et al.2021,夏元明等2 0 19,Kooistra et al.2007)、折纸力学超材料等(Heimbs et al.2009,Schenk et al.2014)（图9），399崔天宁，秦庆华轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展第2 期轻质多孔夹芯结构梁金属陶瓷纤维增强材料面板板芯材壳面板随机多孔材料格栅材料混杂复合材料力学超材料传统点阵/桁架材料柱图3轻质多孔夹芯结构的典型构型金属聚氨酯(PU)陶瓷聚乙烯(PE,UHMWPE)面板聚合物自然纤维（Jute,.)纤维增强材料玻璃纤维增强材料（GFRP）碳纤维增强材料（CFRP）轻质多孔夹芯结构芳纶纤维增强材料（Kevlar，T w a r o n）纤维多孔材料无序泡沫材料（金属泡沫，聚合物泡沫，复合泡沫）芯材混杂格栅材料金字塔点阵Kagome点阵传统点阵/桁有序架材料八面体桁架力学超材料图4轻质多孔夹芯结构的分类力400展学进2023年第53 卷aCde图5蜂窝夹芯结构的常见芯材构型（方岱宁等2 0 0 9).(a)三角形，(b）四边形，(c)六边形,(d)菱形，(e)Kagome型和(f)正方静不定型aCd图6波纹夹芯结构的常见芯材构型.(a)三角形(Valdevit et al.2004)，(b）四边形(Valdevit et al.2004)，(c)梯形(Valdevit et al.2004)，(d)圆弧形(Valdevit et al.2004)，(e)正交波纹(Zhu et al.2021)和(f)双向波纹(Yang etal.2017)401崔天宁，秦庆华轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展第2 期atetrahedralb kagomec pyramidal图7常见点阵材料构型（Wadley2006)EXPFEM100um100ume图8力学超材料创新构型.（a）平板点阵力学超材料(Bergeretal.2017)，(b）T PM S力学超材料（Ket-an etal.2018)，(c）拉胀超材料(Rafsanjani&Pasini2016)，(d）手性超材料（Zhuetal.2016)）和(e)多稳态超材料(Shan et al.2015)1.1.2无序轻质多孔夹芯结构(1)泡沫芯材传统的泡沫材料是一种通过熔融发泡法等工艺制备而成的泡沫化多孔材料（Gibson&Ashby1988)，其内部包含有大量形状不规则的随机胞孔.根据胞孔是否相互贯通，可将泡沫材料分为开孔泡沫和闭孔泡沫两种形式.几乎所有固体材料都可泡沫化，常见的有铝合金、钢、镍合金等金属泡沫材料以及聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）等聚合物泡沫材料，此外还有泡沫陶瓷、力402展进学20233年第53 卷aCd1wrinklewrinkl2nd orderst:isotropictruss 2nd:cubic+octet platee1st orderOthorder928 mm图9多级力学超材料构型.(a)(c)蜂窝多级超材料(Babaketal.2013,Qinetal.2020)，(d)波纹多级超材料(Kooistraetal.2007)，(e)点阵多级超材料(Wangetal.2023)，(f)(g）T PM S多级超材料(Zhang L et al.2021)和(h)(i)折纸超材料(Heimbs et al.2009,Schenk et al.2014)泡沫玻璃和泡沫水泥等泡沫材料，如图10(a)(e)所示.上述金属、聚合物泡沫材料一般具有近似各向同性、高孔隙率等特点，在压缩载荷下会出现较长行程的应力应变曲线平台区，因此被广泛用于吸能减振等防护用途，通过将三维空间内随机排布的空心球体或空心微珠以烧结、浇铸等方法连接起来，还可得到一类被称为复合泡沫（syntacticfoam）的新型泡沫材料（于天淼等2 0 19).与传统泡沫材料相比，复合泡沫内部具有大量外形均匀一致、强度较高的胞孔结构（图10(f)(g)）.该类新型泡沫在显著提高结构承载能力的同时具备多种功能.(2)纤维多孔芯材纤维多孔材料是一类由金属/非金属纤维相互交错搭接相连而制成的三维网状多孔材料，其中金属纤维多孔材料主要由高温烧结等方法制成，而非金属纤维多孔材料则主要由聚合物高温热处理等方法制成(Bryning et al.2007,Cao et al.2018,Li et al.2017,Neelakantan et al.2014,Renetal.2021,Zhangetal.2017)，如图11所示.纤维多孔材料的孔隙直径可低至纳米量级，而孔隙率可高达9 8%，是一种主要用于吸声降噪、阻燃隔热以及过滤分离等场合的多孔材料1.1.3混杂轻质多孔夹芯结构混杂轻质多孔夹芯结构是一种利用金属和非金属材料混杂复合而成，或由不同构型的多孔材料芯材混杂复合而成的轻质夹芯结构.如图12 所示，对于由金属和非金属材料混杂复合而成的轻质多孔夹芯结构而言，其主要由铝合金和钢材等金属材料以及芳纶纤维（kevlar等）、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）、陶瓷纤维等非金属材料构成；对于由不同构型的多孔材料芯材混杂复合而成的混杂轻质多孔夹芯结构而言，其设计形403崔天宁，弹道侵彻行为研究进展第2 期abP2LH,20mmP2HLP5HL,P5LHP5A0ume5mm9dmatrixporositymicroballooncavity图10常见的泡沫材料.（a）金属泡沫（张红英等2 0 2 1)，(b）聚合物泡沫(Nia&Kazemi2020)，（c）混凝土泡沫（张巍和王浩杰2 0 2 0)，(d)玻璃泡沫（冯宗玉等2 0 0 8)，(e）陶瓷泡沫（郭秀荣和王雅慧2012)，（f）金属复合泡沫（Alvandi-Tabrizietal.2015)，（g）聚合物复合泡沫（Ahmadietal.2020)式一般为在格栅、点阵等有序材料的孔隙或空心杆体内填充泡沫、蜂窝、陶瓷、聚合物等轻质多孔材料(Hanetal.2017)，还有学者将剪切增稠液应用到混杂多孔夹芯结构的设计中，提出了剪切增稠液填充点阵夹芯结构（Guetal.2020).混杂轻质多孔夹芯结构兼具多种材料、多孔构型的优点，因此可以满足更为广阔的工程应用需求.1.2弹道侵彻概述枪械弹丸、炮弹、导弹等弹体从发射到命中目标的过程可分为内弹道（interiorballistic）、外弹道（exteriorballistic）以及终点弹道（terminalballistic）三个阶段，如图13所示，内弹道是指从火药燃烧到弹体获得最大速度并出膛的阶段，整个过程在十几毫秒的瞬间完成，并伴随着剧烈的物理化学变化（金声明和袁亚雄19 8 3)；外弹道是指弹体开始在地球引力场中以一定姿态飞行，并到达攻击目标附近的阶段，相关研究主要侧重于弹体的运动规律以及稳定性控制（德米特里耶夫斯基2 0 0 0)；终点弹道则是弹体在击中目标后，与之发生相互作用，并造成穿甲、碎甲、破甲和爆轰等多种毁伤效应的阶段（赵文宣19 8 9).穿甲又称为侵彻，是指弹体以高速或超高速撞击结构的某一部位，继而嵌入或穿透结构厚度的动力学过程（钱伟长19 8 4).穿甲/侵彻效应造成的结构损伤具有高度局部化特征，这是由于弹体所引发的应力波主要沿厚度方向传播，极易造成弹着点附近结构的局部损伤，而不会造成明显的整体结构变形（HooFatt&Sirivolu2010,Qiu&Yu2012，余同希等2 0 2 1).因此枪弹、破片、碎石、微流星体等侵彻物的弹道侵彻作用具有危害性大、隐蔽性高等特点.对于弹体贯穿靶体的能力，通常采用弹道极限（ballistic limit)力404展学进20233年第53 卷ab200um100umCd5mmum100gycm1220nm100 m20 m5um图11纤维多孔材料.(a）金属纤维多孔材料(Caoetal.2018)，(b）硅纤维多孔材料(Lietal.2017)，(c)金属橡胶多孔材料(Ren etal.2021)和(d)(f)泡沫碳/碳纳米管纤维多孔材料(Bryningetal.2007,Zhang et al.2017)这一术语进行描述，可以理解为弹体以规定着角贯穿给定类型和厚度靶体所需要的撞击速度.弹道极限作为一种速度，也可表述为弹道极限速度（ballistic limitvelocity），通常被认为是下列两种撞击速度的平均值：一是弹体头部恰好透过靶板背面并嵌于靶板的速度；二是弹体尾部恰好通过靶板背部即刚好完整通过靶板的速度.对于已知质量和特性的弹体，弹道极限实际上也代表了405崔天宁，秦庆经质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展第2 期abCAdesncFsthet10cmde9ceramic,prisinepoxyresin图12常见的混杂轻质多孔夹芯结构.（a）金属面板-聚合物泡沫混杂夹芯结构（AlaviNiaetal.2017)，(b）复合面板-金属蜂窝混杂夹芯结构(Ryanetal.2008)，(c）聚合物泡沫填充蜂窝混杂夹芯结构(HassanpourRoudbenehetal.2018)，(d）陶瓷/聚合物填充点阵混杂夹芯结构（Nietal.2013)，(e)金属泡沫填充格栅混杂夹芯结构(Yanetal.2013)，(f)蜂窝填充格栅混杂夹芯结构(Hanetal.2016)和（g）泡沫填充点阵混杂夹芯结构(Hanetal.2017)在规定条件下弹体贯穿靶板所具备的动能（王树山2 0 19).对均质实体板而言，根据弹体性质、冲击速度以及靶板性质的不同，其常见弹道侵彻破坏模式如图13所示，主要包括背弹面断裂、迎弹面径向裂纹、内部层裂、冲塞、迎弹面或被弹面花瓣型开裂、碎裂或碎片云以及延性扩孔等（钱伟长19 8 4).为充分掌握轻质多孔夹芯结构弹道冲击行为，继而针对性地提高其抗弹能力，国内外学者们在均质实体靶板弹道冲击研究成果基础上(Landkof&Goldsmith 1985,Roisman et al.1999,Thomson 1955,Wierzbicki 1999,陈小伟2019)，通过实验、理论以及数值模拟等研究方法，广泛开展了常见轻质多孔夹芯结构在各类简化弹体（平头、球头、锥头、圆球弹等）、破片模拟弹体（FSP,FragmentSimulationProjectile)以及真实枪弹下的弹道冲击研究，获得了大量弹体侵彻规律，并提出了一定的优化设计思路.2轻质金属多孔夹芯结构的弹道侵彻行为2.1有序轻质多孔夹芯结构2.1.1格栅芯材目前国内外有关金属格栅夹芯结构弹道侵彻行为的研究对象大多以六方蜂窝芯材为主(Chen et al.2016,Goldsmith et al.1997,Khaire&Tiwari 2020,Khaire et al.2021,Kolopp et al.2013,Qi et al.2013,Rahimijonoush&Bayat 2020,Sun et al.2018,Wang et al.2020,Zhang etal.2018，赵桂平和卢天健2 0 0 8).如图14所示为金属蜂窝夹芯结构在各类弹体侵彻作用下的典型失效模式.在弹着点附近，金属蜂窝夹芯板会出现高度局部化穿孔；穿孔附近的前后面板会在钝头弹侵彻作用下出现剪切冲塞失效（KhaireT iw a r i2 0 2 0，K h a ir e e t a l.2 0 2 1，R a h im ijo n o u s h&Bayat2020，Su n e t a l.2 0 18)或在尖头弹体的侵彻作用下出现花瓣型拉伸撕裂失效，还可能会力406展进学2023年第53 卷外弹道弹体速度终点侵彻深度弹道目标毁伤内弹道图13内弹道外弹道和终点弹道V=190m/sVi=190m/sW=190m/safront skin15 mmberupturet=oust=Oust=oust=55ust=55ust=55ussupportCt=330st=330 st=330 s15 mmt=605st=605st=605s(a)(b)(c)supportdperforation15 mmsupport图14金属蜂窝夹芯结构在(ad)面 外(Goldsmith et al.,1997,Khaire et al.2021,Kolopp et al.2013,金属蜂窝夹芯结构在（ad）面外（Goldsmithetal.，19 9 7,K h a i r e e t a l.2 0 2 1,K o l o p p e t a l.2 0Sunetal.2018）和（e）面内（Qietal.2013）侵彻作用下的典型失效模式出现一个面积相对较小的蝶形凹陷区域（赵桂平和卢天健2 0 0 8).此外，在圆头弹体的侵彻作用下，随着弹体冲击速度的提高，后面板会出现由翻盖型剪切失效向花瓣型拉伸失效的转变现象(Rahimijonoush&Bayat2020).蜂窝芯材则主要受到弹体头部以及前面板局部弯曲部分的压缩作用，从而发生局部压溃和屈曲现象（Khaire&Tiwari2020,Sunetal.2018).由于蜂窝芯材与面板之间的接触面积较小，因此芯材与后面板可能出现较为明显的脱粘现象，从而对靶板的整体抗407第2 期崔天宁，秦庆华轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展弹能力产生不利影响(Rahimijonoush&Bayat2020).在金属蜂窝夹芯结构的弹道侵彻过程中，弹体的绝大部分动能主要由前后面板吸收，而蜂窝芯材则吸能占比较少（Khaire&Tiwari 2020).这可能是由于当弹体沿孔洞轴向冲击时，蜂窝芯材呈现出了较为明显的“隧道效应”，即弹体直接沿单个或多个贯通的蜂窝孔洞穿过，使蜂窝结构的塑性变形无法沿横向扩展，从而不能对弹体实现有效的阻碍作用.通过调控各部件的力学性能以及几何参数，可改善金属蜂窝夹芯结构的抗弹道冲击能力.其中，提高面板的厚度是最简单有效的办法，不过究竟增加哪一侧面板厚度效果更为明显，国内外学者们得到的结论并不相同（Khaire etal.2021,Sunetal.2018)，这可能是选取的金属蜂窝夹芯板和侵彻工况不同所致.在蜂窝芯材的优化方面，通过增加蜂窝胞孔壁厚和减小胞孔尺寸，可提高蜂窝芯材的刚度，从而提高夹芯结构的弹道极限速度（Khaire&Tiwari2020,Khaire et al.2021，R a h i m i j o n o u s h Ba y a t 2 0 2 0).然而，提高蜂窝芯材的刚度也有可能导致前后面板出现更为局部化的变形失效，进而降低夹芯结构的抗弹道侵彻能力（Sunetal.2018).因此，则需要根据工程应用实际情况来选择蜂窝芯材的具体优化方案.改变金属蜂窝芯材的几何构型也可以提高靶板的抗弹能力，例如Wang等(2 0 2 0)发现，在其研究的弹道侵彻工况下，圆形蜂窝材料的抗面外侵彻能力优于三角蜂窝、四方蜂窝、六方蜂窝以及负泊松比蜂窝材料.Qi等(2 0 13)还研究了金属蜂窝夹芯板在面内方向的弹道侵彻行为：结果表明，在面内侵彻作用下，蜂窝结构之间的拉伸作用使其局部变形更易沿横向传播，从而提高了蜂窝芯材的塑性变形范围.弹体穿透靶板后，整体结构中蜂窝芯材的吸能占比达到了8 0%以上以三角形(Borvik et al.2005,Chen et al.2016,Dahiwale et al.2015,Wadley et al.2013,赵桂平和卢天健2 0 0 8）和梯形（Odac1etal.2012）金属波纹材料为芯材的金属格栅夹芯结构得到了部分学者的关注.相关研究表明，金属波纹夹芯结构的抗长杆弹侵彻能力与弹着点位置高度相关：其波纹顶点处（node impact）的抗弹能力明显低于两顶点之间（base impact）的抗弹能力(Wadley etal.，2 0 13)；长杆弹体侵彻波纹芯材的斜面时（webimpact），还会出现明显的偏转现象(Dahiwaleetal.2015).对于圆球形弹体而言，弹着点对靶板的弹道极限速度影响不大.不过，当入射速度较低时，圆球形弹体在冲击节点处时同样会出现偏航现象（Wadleyetal.2013)，如图15所示.针对波纹板胞元几何参数进行优化设计，如提高斜面厚度、降低三角形胞元顶角等，可增加夹芯板的整体抗弯刚度，从而提高靶板抗弹道侵彻能力(Dahiwaleetal.2015).与其他具有相同面密度的轻质夹芯结构相比，赵桂平和卢天健(2 0 0 8)发现三角型波纹夹芯板在平头弹体侵彻下的能量吸收能力高于方孔蜂窝夹芯板和金属泡沫夹芯板；Odac1等(2 0 12)则发现多层梯形波纹夹芯板抗圆球弹体侵彻的能力低于多层泡沫夹芯板.而无论弹体形状以及弹着点如何，金属波纹夹芯结构的弹道极限速度均低于具有相同面密度的均质实体板（Borvik etal.2005,Dahiwaleet al.2015,邓云飞等2 0 2 1).2.1.2点阵芯材以金字塔型点阵材料为芯材的金属点阵夹芯结构是国内外点阵芯材夹芯结构抗弹道侵彻能力研究的重点.在各类弹体的作用下，金属点阵夹芯结构的主要失效模式为前面板的拉伸撕裂力408展2023年第53 卷进学a201mm20mmnodeimpactbaseimpact500b(a)Al/alumina composite400300nodeimpact公200eimpactbase100criticalvelocitycriticalvelocity0900100011001200130014001500impact velocity W/(m s-1)图15三角形金属波纹夹芯结构不同弹着点对应的（a）失效模式和（b）剩余速度曲线（Wadleyetal.2013)(尖头弹体）或剪切冲塞（钝头弹体）、杆件的拉伸和弯曲变形、后面板的碟形隆起和花瓣状拉伸开裂等（Nietal.2013;Yungwirthetal.2008a，2 0 0 8 b).在侵彻过程中，弹体与后面板的作用时间较前面板和芯材更长（倪长也等.2 0 0 9)，因此后面板吸收了最多的弹体动能，前面板次之，金字塔芯材吸能最少.金属点阵夹芯板可实现较高的抗弹能力.在受到钢制平头弹体冲击时，铝合金金字塔点阵夹芯板顶点处的弹道极限速度可达544m/s以上(Nietal.2013).当钢制圆球弹丸以6 0 0 m/s以上的速度冲击不锈钢金字塔点阵夹芯板的顶点处时（图16），其速度降幅可达到2 5%以上，与具有409崔天宁，秦庆华吉构的弹道侵彻行为研究进展第2 期相同面密度均质实体钢板的抗弹能力相当（Yungwirthetal.2008a,2008b).同时，金字塔点阵芯材的倾斜杆件还可对弹体造成偏航作用（倪长也等2 0 0 9).2.1.3力学超材料芯材目前，有关力学超材料轻质多孔夹芯结构弹道冲击行为的研究非常有限，且主要集中于各类金属材料制成的内凹型负泊松比夹芯板的面内弹道侵彻研究.在负泊松比芯材受到面内弹道侵彻作用时，弹尖附近的胞壁会由于负泊松比效应而受到向中心位置汇聚的拉伸作用，从而增强芯材的局部抗弹道侵彻能力，这种现象被称为压阻效应（杨德庆等2 0 18）（图17(a)）.压阻效应使负泊松比材料的抗面内侵彻能力高于具有相同面密度的传统六方蜂窝材料（杨德庆等2 0 15）以及金属泡沫材料(Yang et al.2013).不过，通过二维负泊松比夹芯结构的弹道侵彻数值模拟研究（图17(b)）发现，当弹体侵彻速度较高时，负泊松比芯材的胞元在侵彻瞬间可能来不及实现完整的拉伸变形作用，从而会削弱压阻效应（Yangetal.2013，杨德庆等2 0 15).因此，与具有相同面密度的均质实体靶板相比，内凹型负泊松比蜂窝夹芯板的抗弹能力仍然较低，不宜在舰船等设备的防护结构设计中单独使用（杨德庆等2 0 15).而Imbalzano等（2 0 17）和Novak等(2 0 2 0)则分别提出了一种以三维内凹型(图17(c)）和三维手性负泊松比材料为芯材的夹芯结构，可实现优于相同面密度均质实体靶板的抗弹道侵彻能力.针对星型负泊松比夹芯板，杨德庆（2 0 19)研究发现其可实现较好的抗水下爆炸性能，但是抗弹能力较差.此外，ZhangJJ等（2 0 2 1)设计并制备了一种全金属折纸超材料夹芯结构（图17(d)，并开展了该种结构的弹道侵彻实验和数值模拟，获得了不同几何配置的折纸夹芯板在平头、锥头和球头弹体侵彻作用下的失效破坏机制，并给出了以准静态侵彻耗能为基准的动态侵彻增强系数.2.2无序轻质多孔夹芯结构2.2.1金属泡沫芯材在弹体侵彻作用下，金属泡沫夹芯板的主要失效模式为弹着点附近的贯穿整体结构的高度局部穿孔.如图18 所示，在穿孔的周围，金属泡沫芯材主要发生局部剪切、撕裂破坏，前后面板的失效模式则与弹体的形状高度相关.在钝头弹体作用下，前面板主要发生由剪切作用引起的冲塞破坏，后面板可能发生剪切或拉伸撕裂破坏；在尖头弹体作用下，前后面板均发生以拉伸撕裂为主的破坏模式，其中后面板还可能出现花瓣状开裂破坏（Houetal.2010，Y a n g e t a l.2 0 15，郭亚周等2 0 19，张元豪等2 0 19).当弹体速度接近枪弹速度时，前面板及其附近的金属泡沫芯材可能会出现绝热剪切现象（方志威等2 0 17，张元豪等2 0 19).Cui等（Cuietal.2022，崔天宁2 0 2 2)综合考虑弹体形状、入射速度、面板质量分布、泡沫芯材梯度分布等因素影响，系统开展了金属泡沫夹芯结构的弹道侵彻实验研究，发现各组成部件在不同形状弹体的侵彻作用下，具有丰富的失效破坏机制，并发现了泡沫随机结构使平头弹体侵彻破坏机制发生转变的现象（图19(a)；通过开展计及泡沫材料细观结构的弹道侵彻数值模拟研究，进一步获得了均匀金属泡沫夹芯结构Swllullcual.Luuoa铝平业图力41020233年展学进第53 卷facesheetstrussabeforetesting1cmbafterimpactcmfractured nodes16全全字塔占阵来芯板在钢球信彻作用：下的牛效模式2008+aCtopviewauxeticunitcellfrontviewdauxeticresponseafacetlaversBA无压阻效应压阻效应二二bsymmetric boundary conditions(entire lateral face)fixed boundary conditions(entire lateralface)图17(a）压阻效应（杨德庆等2 0 18)，(b)二维内凹型负泊松比夹芯结构的侵彻过程数值模拟(Yangetal.2013)，（c）三维内凹型负泊松比夹芯结构的侵彻过程数值模拟(Imbalzanoetal.2017）以及(d)折纸型夹芯结构的侵彻失效模式(Zhangetal.2021)411第2 期崔天宁，秦庆华芯结构的弹道侵彻行为研究进展ahf=0.6mmbdimpacttunnellocal crushingfronthf=1.0mmdebondingflipcover.Petalrearhf=1.5mmthole567local crushingfronthf=2.0mmpetaldebondingrear图18金属泡沫夹芯板在侵彻作用下的典型失效模式.(a）不同面板厚度对夹芯板失效模式的影响(Houetal.2010)，(b）夹芯板在球形弹侵彻作用下的花瓣型失效模式（郭亚周等2 0 19)，（c)夹芯板前面板在中高速弹体侵彻作用下出现的绝热剪切失效（方志威等2 0 17)，以及(d)夹芯板后面板分别在锥头和平头弹侵彻作用下出现的花瓣型拉伸失效模式和翻盖型混合失效模式（Cuietal.2022)和密度梯度金属泡沫夹芯结构受弹体侵彻的具体过程、能量损耗和接触力变化规律等(图19(b).面板与芯材之间的粘接方式亦可能影响到后面板的失效模式.在Rabiei等（2 0 2 0)进行的中空球复合金属泡沫弹道冲击试验当中，无论是采用胶接复合法还是扩散焊接复合法，后面板均出现了大面积整体脱粘的情况.研究发现，金属泡沫夹芯板的弹道极限速度随面板厚度、芯材厚度和密度的增加而提高，并大致呈线性关系（Houetal.2010,Zhaoetal.2020，杨飞等2 0 11)，增加面板厚度对靶板抗弹能力的改善效果比增加芯材厚度更为明显（Cui etal.2018).当面板强度较高或面板与芯材厚度比值较高时，金属泡沫夹芯板主要通过面板的变形失效来吸收弹体动能（牛正一等2 0 2 1，杨飞等2 0 11).采用前后面板力学性能与几何参数的不对称设计还可进一步提高金属泡沫夹芯板的抗弹能力.一部分学者研究发现，前面板是靶板吸能的主要部件，增厚前面板可提高金属泡沫夹芯板的弹道极限速度（Cuietal.2022，方志威等2 0 17，牛正一等2 0 2 1)；另一部分学者认为，后面板是靶板吸能的主要部件，增厚后面板或提高后面板强度可提高金属泡沫夹芯板的弹道极限速度（牛卫晶2 0 15，张元豪等2 0 19)；还有学者则认为，当弹体入射速度较低时，前面板是靶板吸能的主要部件，而当弹体入射速度较高时，后面板是靶板吸能的主要部件（Cui etal.2018，郭亚周等2019).上述诸多学者给出了具有争议的研究结论，主要是因为各自在研究过程中所选取的弹体形状、入射速度、夹芯板各部件的力学性能和几何参数差别较大.这说明在针对金属泡沫结构进行前后面板不对称设计时，应根据不同的弹道冲击工况选取不同的设计方案.2.2.2金属纤维多孔芯材金属纤维多孔夹芯结构在降噪、吸声、隔热等领域具有较多应用，但有关其弹道侵彻行为力412展进2023年第5 3 卷学von misesstressvon mises stressaMPaMPa1.788e-073.776e+021.609e-07-3.399e+02-1.431e-07-3.021e+02-1.252e-072.643e+021.073e-07-2.266e+02-8.941e-081.888e+02-7.153e-081.510e+02-5.364e-081.133e+02-3.576e-087.552e+01-1.788e-08-3.776e+01-0e+000e+00-vonmisesstressvon mises stressvonmises stressMPaMPaMPa3.765e+023.774e+023.772e+023.388e+023.397e+023.394e+023.012e+023.019e+023.017e+022.635e+022.642e+022.640e+022.259e+02-2.264e+022.263e+021.882e+02-1.887e+021.886e+021.506e+02-1.510e+021.509e+021.129e+02-1.132e+021.131e+027.530e+017.548e+017.543e+013.765e+013.774e+013.772e+010e+00-0e+000e+00b0.200.200.20foamfoamfoamfront facesheetperforationoffront face sheetfront face sheet-rearface sheetrear