高超音速侵彻引信中的泡沫铝垫片

民营科技2018年第3期科技创新关于泡沫铝材料技术及装备应用情况的研究高占平曹瑶琴何志平（航空工业直升机设计研究所，天津300000）

为了进一步了解和掌握泡沫铝材料技术发展和应用现状及存在的问题和差距，围绕泡沫铝材料技术及装备发展情况开展了调研研究，主要包括四个方面：一是泡沫铝材料研制及其承研承制单位情况；二是泡沫铝材料在装备上的应用情况和产业发展情况；三是泡沫铝材料技术发展和应用装备上存在的问题、与国外先进水平的差距；四是有关措施建议，提出技术发展重点和有关需求。1泡沫铝材料研制及其承制情况美国人SosnickB等人在1948年利用汞在熔融金属铝中气化得到泡沫铝，1954年ElliottJC等人用金属氧化物作为发泡剂代替了汞，泡沫铝的研究在世界各国逐渐兴起。泡沫铝由于密度小、比强度和比刚度高，阻尼性能、能量吸收性能、吸声和隔热性能好及多功能兼容性能优异，吸引着各国相关研究者对其制备、性能和应用的探索。迄今为止，全球大约有150家研究机构正致力于泡沫铝的研究，他们的研究大多集中在生产和性能方面，很多公司也在积极研发和生产相关的材料。1.1泡沫铝材料研制单位情况。欧、美、日等国家的许多大学和研究机构针对泡沫铝进行了大量研究，如美国的麻省理工学院、德国的Fraunhofer研究所、日本的名古屋工程材料与结构研究所等在泡沫铝生产制备及性能方面进行了深入研究。国内对泡沫铝的研究和国外相比起步较晚，但在国家政策的大力支持下进展很快。泡沫铝的研究由普通泡沫金属研究向复合结构发展，由实验室研究向工业化发展。在泡沫铝的制备和性能上，一些学校及研究机构开展了一系列研究，包括东南大学、东北大学、吉林大学、吉林工业大学、太原科技大学、中国兵器科学研究院内蒙金属材料研究所、洛阳船舶材料研究所、中国科学院固体物理研究所等。1.2泡沫铝材料承制单位情况。欧洲、美国、日本等发达国家的泡沫铝制造活动都十分活跃，已经涌现出一大批泡沫金属产品的公司，如Shinko-Wire、Cymat、Aluligy、ERGInc、IncoLtd、Karmann等。随着中国泡沫铝相关技术研究的发展，中国诞生了一批泡沫金属产品的公司，如杭州龙邦合金科技有限公司、山西普泰发泡铝制造有限公司、四川泰达有色金属材料有限公司等。其中杭州龙邦合金科技有限公司生产了泡沫铝坦克底板、防爆车外壳及高铁车门等泡沫铝产品。2泡沫铝材料在装备上的应用情况国外针对泡沫铝已经开展了大量应用，美国某直升机已经将泡沫铝应用在直升机驾驶舱座椅，主要起防弹作用。泡沫铝在汽车工业中的应用主要以泡沫铝夹层结构出现。夹层结构芯层为泡沫铝，两侧多以金属板包覆，金属包覆层的厚度及泡沫铝芯材的密度决定了其主要性能。以泡沫铝夹层板制备的车身板件刚度可提高10倍，而重量减轻50%。用泡沫铝夹层板制作的汽车发动机罩，重量比传统钢件小25%，刚度是传统钢件的7倍。德国汽车制造商Karmann用复合泡沫铝材料代替传统的冲压钢板制造出的前舱壁和后车壁已成功应用于样车，使重量减轻60kg。欧洲的一些大的汽车公司如卡曼、大众、宝马、欧宝、菲亚特等都已采用泡沫铝制造汽车侧面与前部防撞零部件、轴架和车身板件等。国产直升机尚未应用泡沫铝，但其他设备已成功了应用，如中国兵器科学研究院内蒙金属材料研究所（中国兵器科学研究院52所）已经将泡沫铝应用在防爆车的外壳、坦克底板等关键部位，主要起防爆防弹作用，中国中车已经将泡沫铝应用于高铁车门，主要起隔音防火作用。在航空航天工业上，泡沫铝被用作轻质、传热的支撑构件。如作为机翼金属外壳的支撑体、导弹鼻锥的防外壳高温倒塌支撑体。宇宙飞船的起落架、宇航员空间行走保暖装置等。泡沫铝还可应用于神州飞船返回舱，在其与地面接触瞬间起到缓冲吸能作用。泡沫铝也可作为火炮及汽车尾气消音器。泡沫铝夹芯金属板由于质轻，且具有较高的比强度和比刚度，可替代传统的厚金属板结构，应用于大型舰船的防爆甲板等。3泡沫铝材料技术发展和装备应用存在问题与差距3.1泡沫铝材料技术发展和装备应用存在的问题。目前国内外对泡沫铝的研究归纳起来主要包括三大方面：有关泡沫铝制备工艺的研究、有关泡沫铝结构和性能的研究、有关泡沫铝应用的研究。1）泡沫铝制备方面存在的问题。由于泡沫铝孔结构不均匀、可控性差、制备过程再现性差，所以制备时可重复性差，存在较多随机性，不同批次制得的材料性能差异大。当今还没有一个可应用的理论或数学模型来预测各种工艺参数的改变对发泡过程的影响。2）泡沫铝结构和性能研究存在的问题。对于泡沫铝理论模型的建立、破坏形式和力学性能等方面的研究起步较晚，尚未有可应用的理论模型来预测工艺参数对性能的影响。3）泡沫铝应用方面存在的问题。制造成本较高。泡沫铝自身强度较低，其耐腐蚀性及耐高温性能不能满足一些特殊条件下的应用的要求。3.2泡沫铝材料技术发展和装备应用与国外先进水平的差距。目前，国内针对泡沫铝的研究虽然较多，但泡沫铝许多相关性能的研究还有待深入，且其应用范围与国外还有很大差距，国外已经涌现出大量泡沫铝制备公司并实现了商业化，应用于许多领域，而国内可生产合格、稳定泡沫铝产品的公司寥寥无几。4发展建议逐步建立泡沫铝生产工艺的数值模型，以期指导改善生产工艺；逐步建立泡沫铝材料力学性能的数值模型；降低泡沫铝生产成本；拓展泡沫铝在航空航天领域的应用。摘要：通过搜集资料以及调研，围绕泡沫铝材料技术发展及装备应用情况进行充分了解，总结出泡沫铝国内外技术发展及装备应用现状、国内外差距以及有关措施建议。关键词：泡沫铝；技术发展；装备中图分类号：TG146.21，TB33文献标识码：A文章编号：1673-4033（2018）03-0044-0144

·82· 兵工自动化

Ordnance Industry Automation2018-05

37(5)

doi: 10.7690/bgzdh.2018.05.021

泡沫铝材料防护性能的数值模拟

崔小杰，张国伟

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

摘要：为了解不同材料参数对防护结构防护性能的影响，对泡沫铝材料防护性能的数值进行模拟。针对应用

AUTOUDYN软件数值模拟单一泡沫铝作防护材料时对爆炸冲击波的衰减特性，设计防护结构为圆柱形的3维实体，

根据圆柱形轴对称的特性，建立2维仿真简化模型，采用2维欧拉多物质算法数值模拟单一泡沫铝圆柱形防护结构，

得出其对爆炸冲击波的衰减效果。结果表明：泡沫铝对冲击波有着显著的衰减作用，可为泡沫铝在相关复合防护结

构中的应用提供参考。

关键词：AUTODYN；泡沫铝；材料参数；爆炸冲击波；衰减；数值模拟

中图分类号：TJ410.3 文献标志码：A

Numerical Simulation of Protective Performance of Foamed Aluminum Materials

Cui Xiaojie, Zhang Guowei

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract: In order to understand the influence of different material parameters on the protective performance of

protective structure, the numerical simulation of the protective performance of aluminum foam material was carried out.

２０１２年４月　第４期　电子测试　ＥＬＥｃＴＲＯＮＩＣ　ＴＥＳＴ　Ａｐｒ．２０１２　Ｎｏ．４　

侵彻混凝土的三维测试系统设计研究　

王文玺　（中北大学光电仪器厂山西太原０３００５１）　

摘要：现场试验时，由于弹体的初始偏航以及侵彻靶体面的倾斜，使得破坏过程和侵彻深度等参数与垂　直侵彻有很大的区别。为了测试斜侵彻过程的参数，抗高冲击单轴加速度传感器已经不能满足测试要求。　本文基于ＣＰＬＤ器件ＸＣＲ３０６４为核心处理芯片；结合ＡＤｃ、铁电存储控制器、电源管理模块，设计了三维　加速度测试系统，不仅可以记录弹体发射、飞行时的加速度，还可测得着靶侵彻过程中各个轴向的加速度　值。实测到的减加速度，为分析侵彻速度、侵深和数值模拟提供可靠，有价值的数据。　关键词：三维加速度测试系统；缓冲设计；毁伤效应　中图分类号：ＴＬ８２２　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｓｔｏｒｅｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆｔｈｒｅｅ。－－。ａｘｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　

ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　

Ｗａｎｇ　Ｗｅｎｘｉ　（Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ￣ｃｔｏｒｙ，Ｔａｉ　ｙｕａｎ，Ｓｈａｈ　ｘｉ，０３００５１）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｔｈａｔ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｙａｗ　ａｎｄ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｔａｒｇｅｔ　ｔｉｌｔ，ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｍｕｔｉｌａｔｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｄｅｐｔｈ　ｅｔｃ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｔｈｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｏ　ｈｉｇｈ　ｉｍｐａｃｔ　ｕｎｉａｘｉａｌ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃａｎ’ｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｈｅＣＰＬＤ　ｄｅｖｉｃｅ　ＸＣＲ３０６４　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｃｈｉｐ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＤＣ，ｃｏｎｔｒｏＵｅｒｔｈｅ　ＦＲＡＭ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｕｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗｏｒｋｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—ａｘｉｓ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｒｅｃｏｒｄｓ　ｔｈｅ　ｂｏｄｙ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄ　ｆｌｉｇｈｔ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｃａｎ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｅａｃｈ　ａｘｉａｌ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅ￣ａｂｌｅ　ａｎｄ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｄａｔａ　ｆｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ，ｄｅｅｐ　ａｎｄ　ｉｎｖａｄｅｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆｔｈｒｅｅ——ａｘｉｓ；ｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ；ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｅｆｆ

填充泡沫铝防护结构的超高速撞击数值模拟

贾斌;马志涛;庞宝君

【摘 要】模仿泡沫金属的生产原理建立了泡抹金属微结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学程序进行了超高速撞击数值模拟,分别对6种形式的填充泡沫铝防护结构进行了仿真计算,比较了其撞击极限性能.结果表明当泡沫铝处于适当的位置时,填充泡沫铝结构的防护性能优于相同面密度的填充实心铝板结构.通过不同防护结构碎片云特性参数的对比分析表明,泡沫铝对小尺寸碎片的防护效果显著,其微结构能够使碎片云的法向动量有效分散,并通过多次加载使得碎片云液化、气化的比例大幅提升.

【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》

【年(卷),期】2011(043)001

【总页数】5页(P16-20)

【关键词】泡沫铝;防护结构;超高速撞击;SPH;空间碎片

【作 者】贾斌;马志涛;庞宝君

【作者单位】哈尔滨工业大学,航天工程系,150080,哈尔滨;清华大学航天航空学院,100084,北京;哈尔滨工业大学,航天工程系,150080,哈尔滨

【正文语种】中 文

【中图分类】O347;V423.42

微流星体及空间碎片的超高速撞击会造成航天器损伤及发生灾难性失效的事例，严重威胁航天器的安全在轨运行，有关防护微流星体和空间碎片超高速撞击的研究得到了国内外的高度重视［1］.1947年 Whipple［2］提出了著名的 Whipple防护结构，即在距被防护舱壁外侧一定距离处放置金属防护屏，防护屏的作用是将弹丸破碎，形成由弹丸材料和防护屏材料组成的碎片云，碎片云在通过间距过程中发生膨胀，使得作用在舱壁单位面积上的冲量减小，从而减轻对舱壁的破坏能力.此后，在Whipple结构的基础上又发展了应用新型材料的多种构型相似的防护结构，通过超高速撞击实验及数值仿真进行了大量防护结构性能研究工作，并用于航天器的安全防护［3－4］.因为超高速撞击实验的速度限制及费用比较高，超高速撞击数值仿真成为防护结构性能研究的有效方法.采用有效的材料模型和数值模拟方法可以得到与实验非常一致的结果.铝合金等金属材料的材料模型和相关数据得到了深入研究，具有很高的置信度［5－6］.