7A52/7A62铝合金层合板抗弹性能数值研究：构型效应与多界面协同耗能机制

《Materials》：Ballistic Performance of 7A52/7A62 Aluminum Alloy Laminates: A Numerical Investigation of Configuration Effect

本文通过系统数值模拟，揭示了7A52/7A62铝合金层合板在弹道冲击下的构型效应，发现四层交替软硬排列（ABAB）构型能显著提升抗弹性能，其残余弹速较单体高强合金降低约27%，凸显了多界面分层、塑性变形与损伤演化协同耗能的关键作用，为轻质装甲设计提供了重要理论依据。

　　

材料与方法

本研究选取7A52（高韧性）与7A62（高强度）两种铝合金作为基层材料，并引入7A01铝合金作为中间粘结层，以优化层间复合稳定性。层合板总厚度固定为20 mm，其中7A52（标记为A层）与7A62（标记为B层）的厚度比例为1:5。研究设计了多种构型，包括单层（A、B）、双层（AB、BA）以及四层（ABAB、BAAB、ABBA、BABA）层合板，以系统考察叠层顺序对抗弹性能的影响。

为准确描述材料在高速冲击下的动态力学行为，研究采用Johnson-Cook (J-C) 本构模型来表征7A52和7A62合金的流动应力与断裂行为。J-C模型将流动应力表达为应变硬化、应变率硬化与热软化三项的乘积。通过一系列精心设计的力学实验（包括准静态拉伸、霍普金森杆动态压缩、高温拉伸等），分别标定了模型的各项参数（A, B, n, C, m）。同时，J-C断裂准则的参数（D₁–D₅）也通过不同应力三轴度（利用缺口试样）、应变率和温度下的断裂应变数据拟合获得。

材料模型与参数标定

Johnson-Cook本构模型

J-C本构模型的具体形式为：σ = (A + Bε_pⁿ)(1 + Cln(ε?/ε?₀))(1 – ((T – T_room)/(T_melt– T_room))^m)。其中，A为准静态屈服强度，B为应变硬化系数，n为应变硬化指数，C为应变率敏感系数，m为热软化指数。通过实验数据拟合，获得了7A52和7A62合金的完整J-C本构参数。

J-C断裂准则

J-C断裂准则将断裂应变表示为应力三轴度、应变率和温度的函数：ε_f= (D₁+ D₂e^D₃η)(1 + D₄ln(ε?/ε?₀))(1 + D₅T^*)。通过不同缺口半径试样的拉伸试验、不同应变率的动态试验以及不同温度的高温试验，分别标定了参数D₁–D₃、D₄和D₅。

参数有效性验证

通过对比分层霍普金森压杆实验与相应数值模拟的应力-应变曲线，验证了所标定J-C参数在高速冲击条件下的有效性，为后续弹道侵彻模拟提供了可靠基础。

模拟建模

为提高计算效率，在Abaqus/Explicit中建立了1/4对称三维有限元模型来模拟弹丸侵彻过程。靶板采用C3D8RT单元进行网格划分，并在弹丸冲击区域进行局部网格细化。弹丸视为刚体。层间界面采用基于双线性牵引-分离律的内聚力模型进行模拟，其参数参考已有文献设定。接触算法采用通用接触，考虑了靶板的自接触以及弹靶间的相互作用。

模拟结果

抗弹性能

弹道性能通过分析弹丸在侵彻过程中的速度历史来评估。模拟结果表明，四层构型的层合板其抗弹性能显著优于单层和双层板。在所有构型中，ABAB（软-硬-软-硬交替排列）构型表现最佳，残余弹速仅为256 m/s，相较于单体高强7A62板（351 m/s）降低了约27%。四层构型的性能排序为：ABAB > BAAB > ABBA > BABA。双层构型（AB, BA）的性能介于两种单体材料之间。

变形演化与断裂机制

层合板性能差异的根源在于应力波传播与失效模式的本质区别。单体板中应力波传播迅速。而在层合结构中，层间界面阻碍了应力波的传播，削弱了其沿厚度方向的传递。

双层板性能相对较差的原因在于其单一界面在高速冲击下容易发生早期脱粘。一旦界面完全失效，应力波传递路径被切断，前后层失去协同作用。

四层板则通过“多界面渐进失效”机制实现协同吸能。应ABAB构型能最有效地阻抗应力波传播：首层软层通过塑性变形吸收部分动能并改变传入后续硬层的应力波形态；硬层提供主要抗侵彻能力；再次经过软层和界面时，能量进一步通过塑性变形和界面脱粘耗散，部分应力波被反射，显著缓解了硬层中的应力集中，延迟其剪切失效。这种过程的重复实现了多级能量耗散。其他构型因叠层顺序不同，在应力波调制和界面失效 initiation 序列上存在差异，导致最终性能排序的不同。

能量耗散

能量分析进一步证实了上述机制。四层构型的总能量耗散（塑性耗散能与损伤耗散能之和）均高于单体板。最优的ABAB构型总耗能达480.1 J，比单体7A62板（419.2 J）高出约14.5%。其塑性耗散能高达335.2 J，比7A62板（270.4 J）提升约24%。

多界面的存在改变了能量耗散路径：界面改变了应力波传播路径，钝化了裂纹尖端，促进了韧性层更广泛均匀的塑性变形，增强了塑性耗能；同时，界面引发裂纹偏转、分叉和二次形核，使损伤演化从局部过程转变为渐进、多路径的耗散机制。ABAB构型通过其交替叠层设计，最大化了塑性与损伤耗能之间的协同效应。

结论与展望

结论

本研究通过系统数值模拟，明确了叠层顺序对7A52/7A62铝合金层合板抗弹性能的显著影响。四层构型，特别是ABAB交替软硬排列方式，展现出最优的抗弹性能，这主要归因于多界面分层、塑性变形与损伤演化的协同能量吸收机制。该研究为轻质装甲铝合金层合板的构型设计提供了清晰的数值指导。

研究局限与展望

本研究结论基于数值模拟，需通过弹道极限实验进行直接验证。未来工作应完成实验闭环验证，并系统研究厚度比、界面属性等多参数协同优化，同时将研究扩展至更复杂的服役工况。

工程应用价值

本研究建立的叠层设计准则可直接用于指导轻质复合装甲的研发，为通过结构创新在固定材料体系下显著提升防护性能提供了有效技术途径。