复合金属泡沫在保护碳钢免受穿刺损伤方面的数值模型与实验验证

《Advanced Engineering Materials》：Numerical Model and Experimental Validation of Composite Metal Foam in Protecting Carbon Steel Against Puncture

碳钢板上采用复合金属泡沫（CMF）缓冲层抑制穿刺损伤的实验与数值研究。通过实验和有限元分析，发现CMF通过空气缓冲和金属基体协同作用有效吸收冲击能量。实验表明，在2.32 m/s冲击速度下，未加CMF的钢板发生穿刺，而添加CMF后无穿刺现象。数值模拟对比了均质CMF与非均质流体腔模型，验证了后者在能量吸收（32.57 J/g）和应变预测（误差<7%）上的优势。通过能量平衡分析，确定防止钢板穿刺的CMF临界厚度为24 mm。研究表明CMF兼具轻量化与高能量吸收特性，适用于铁路罐车等高危结构防护。

　　在现代工业和运输领域，铁路罐车的安全性一直是研究的重点。特别是那些运输危险品（HAZMAT）的罐车，由于其结构复杂且面临高风险，任何损坏都可能引发严重的环境和经济损失。近年来，因罐车脱轨引发的泄漏和火灾事故频发，促使研究者探索更有效的材料和结构设计来增强罐车的抗冲击和抗穿刺能力。本文通过实验和数值模拟相结合的方式，评估了一种新型复合金属泡沫（CMF）材料在不同撞击速度下对碳钢板的保护性能，旨在验证其在实际应用中的潜力。

复合金属泡沫是一种由金属基体中嵌入气密空心球体构成的轻质材料。这种材料在增强强度与密度比和冲击能量吸收方面展现出显著优势，比传统泡沫材料和母体金属更优越。研究团队采用多种数值建模方法，对位于撞击头和碳钢板之间的CMF缓冲板进行模拟，包括均匀CMF模型、非均匀CMF模型以及一种引入流体腔体以减少计算时间同时保持精度的新模型。实验结果显示，CMF缓冲板在撞击过程中吸收的能量分别为32.57 J/g，显著高于碳钢板仅吸收的0.60 J/g，表明CMF在防止穿刺方面具有重要价值。

研究还分析了CMF在不同撞击速度下的行为。实验测试在不同的撞击速度下进行，包括无CMF缓冲的条件和有CMF缓冲的条件。结果表明，当撞击速度较低时，碳钢板能够承受撞击而不发生穿刺，而当撞击速度达到2.32 m/s时，未使用CMF缓冲的碳钢板则会发生穿刺。在撞击速度为2.32 m/s的情况下，使用CMF缓冲的碳钢板未发生穿刺，说明CMF在高冲击下表现出优异的能量吸收性能。

通过3D表面轮廓分析，研究人员进一步了解了CMF在穿刺测试中的变形行为。实验中，CMF在不同区域表现出不同的应变和能量吸收特性。例如，靠近角落的区域表现出更高的应变和能量吸收能力，而中心区域则应变较低。这些结果为CMF的设计和优化提供了重要参考，同时也揭示了CMF在不同部位的力学响应差异。此外，通过比较实验和数值模拟结果，研究人员发现非均匀CMF模型能够更准确地再现实验中的变形和应变分布，特别是对于边缘和角落的高应变区域，其表现优于简单的均匀模型。

在数值模拟方面，研究团队使用了多种方法来提高计算效率。例如，通过引入流体腔体模型，能够减少计算资源的消耗，同时保持模型的准确性。此外，采用时间缩放和质量缩放技术，进一步降低了计算时间。这些方法的引入使得复杂模型能够在合理时间内完成分析，为大规模模拟提供了可行的路径。研究还探讨了不同模型对能量吸收的影响，结果表明，非均匀模型在能量吸收和应变分布方面优于均匀模型，特别是在高应变率条件下。

在实际应用中，研究还分析了CMF的最小厚度，以确保其能够有效防止碳钢板的穿刺。通过将能量吸收与体积应变相结合，研究人员计算出在撞击速度为2.32 m/s时，CMF的最小厚度为24 mm。这一厚度不仅能够在撞击过程中吸收足够的能量，还能够有效减轻碳钢板的损伤，从而提高整体结构的耐久性和安全性。这一结果为未来在铁路罐车设计中使用CMF提供了理论依据。

研究还发现，CMF在高应变率下的能量吸收能力显著增强，这与气密空心球体内部空气的缓冲效应密切相关。当撞击速度增加时，CMF能够更有效地吸收和耗散能量，从而防止穿刺。这种性能对于应对突发的高冲击情况至关重要，特别是在事故后需要迅速吸收能量的场景中。

综上所述，CMF作为一种轻质材料，具有显著的力学性能优势，尤其在高应变率下表现突出。通过实验和数值模拟的结合，研究团队验证了CMF在铁路罐车结构中的应用潜力。未来，CMF的应用不仅限于铁路运输，还可以拓展到其他需要高能量吸收和结构保护的领域。然而，进一步的研究仍然需要，以优化CMF的结构设计，提高其在不同条件下的适应性和性能。