Page 92 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 张柱国，等： 泡沫铝夹芯结构抗鸟体冲击吸能机理及在飞机机头端框挡板中的应用 第 3 期

在弹丸冲击下的失效及能量吸收模式进行了研究，结果表明，夹芯结构的下层面板吸收了最多的冲击能
量，其次是上层面板，而芯层吸收的能量最少 [21] 。与之不同，张永康等 [24] 发现，在冰雹冲击下，泡沫铝芯
层吸收了绝大多数的冲击能量，认为提高上层面板的刚度可以实现更好的防护效果。
尽管目前已有大量关于泡沫铝夹芯结构抗冲击性能的研究，但大多数研究集中于硬物冲击工况，优
化方向主要在于提升面板的刚度，而针对鸟体等软体的冲击响应研究相对较少。此外，现有研究中夹芯
结构的上下面板通常采用相同材料和厚度，未考虑在实际冲击过程中二者所承受载荷的差异性。因此，
本文系统地研究非对称泡沫铝夹芯结构在鸟体高速冲击下的变形破坏行为及其能量吸收机制。考虑到
所受载荷的不同，上下面板分别采用塑性较好的 2024-T3 铝合金和强度较大的 7075-T6 铝合金，探讨在
不同材料比重分配情况下夹芯结构的抗冲击性能。在此基础上，提出一种新型泡沫铝夹芯挡板结构，并
与传统加筋板结构的冲击响应及能量吸收特性进行对比分析，完成泡沫铝夹芯挡板在飞机实际结构抗
鸟撞应用中的减重案例，以期为飞机机头端框挡板的设计提供参考。

1 材料模型及参数

1.1 鸟体本构
本文采用 SPH 粒子模拟鸟体，其本构关系遵循 Murmaghan 状态方程，不需要额外定义材料的剪切
强度。根据 Murnaghan 方程，压力公式为：
ρ
ïÅ ã γ ò
p = p 0 + B −1 (1)
ρ 0
式中：p 和 ρ 分别为压力和密度， p 0 和 ρ 0 分别为材料的初始压力和初始密度，B、 γ 为材料常数。在 Pam-
crash 材料库中状态方程对应 28 号模型。鸟体 Murnaghan 状态方程的参数由 Mccarthy 等 [25] 确定，其中，
γ 为 7.98，B 为 128 MPa。

1.2 铝合金
原加筋挡板结构采用 2024-T3 铝合金材料，而本文所提出的泡沫铝夹芯结构则综合使用 2024-T3 和
7075-T6 两种铝合金。在鸟体冲击载荷作用下，这两种材料均表现出显著的应变率敏感性。为准确描述
其动力响应特性，本文选用具有各向同性损伤的薄壳单元弹塑性模型来描述这些材料，对应 Pam-crash
中的 105 号材料模型（elastic-plastic with isotropic damage for shell），塑性响应则采用与应变率相关的
Johnson-Cook 本构模型进行描述：
1/P
n
σ(ε, ˙ε) = [a+bε ][1+ln(˙ε/D) ] (2)
p
式中：σ 为应力；ɛ为应变； a+bε n p 为包含应变硬化的静态屈服应力， a 为屈服应力， ε p 为有效塑性应变， b 、
1+ln(˙ε/D) 1/P [26] 。材料在低应变率
、
n 为材料常数； 为应变率影响因子，包含应变率 ˙ ε 和两个控制参数 D P
下的准静态力学性能通过电子万能试验机测得；而高应变率下的动态力学性能则是利用分离式霍普金
森杆（split Hopkinson bar, SHB）试验获取，相关材料参数详见表 1，其中 E 为弹性模量，破坏准则采用最大
塑性应变失效准则，其具体失效应变参考表 1 中的 ε fail 。

表 1 两种铝合金材料参数
Table 1 Material parameters for two aluminum alloys
材料号 E/GPa 泊松比 a/MPa b/MPa n D/s −1 P ε fail
2024-T3 72 0.31 280 400 0.20 1 66.67 0.18
7075-T6 71 0.35 480 400 0.28 1 −1 000 0.12

1.3 泡沫铝

Zheng 等 [27] 提出了速率无关的刚-塑性硬化（rigid-plastic hardening，R-PH）理想化模型，可以有效拟合

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