防护装甲是现代武器系统中的重要组成部分，先进的装甲防护技术可有效提高人员和设备的战场生存能力。装甲防护技术的发展构成了一部内容丰富的“矛”和“盾”相互竞争的历史，研究“盾”的防护原理的同时还需研究“矛”的侵彻机理。三明治复合结构的显著吸引力是质轻而刚硬，且构成芯材和表板具有很强的可设计性，是一种典型的复合防护装甲结构；金属泡沫材料具有高比刚度、高比强度及诸多独特的性能，具有很高的冲击吸能特性，是一种极具潜力的冲击缓冲材料，在冲击防护领域具有重要应用价值。

近日，西安交通大学秦庆华教授和新加坡国立大学Poh L.H. 教授针对三明治金属泡沫夹芯复合防护的弹道极限问题，系统地开展了三明治夹芯复合防护结构的高速冲击破坏实验（图1），获得了平头、球头及锥头弹体的入射速度、剩余速度以及夹芯复合防护结构被贯穿后的破坏形貌等重要实验数据（图2）；提出了泡沫芯材层细观结构重构的高精度新算法，建立了夹芯复合结构跨尺度弹道冲击数值模型（图3）；以实验结果导引，提出了三明治夹芯复合防护结构刚性弹体侵彻动力学新理论模型（图4）。研究获得了高速弹体冲击下夹芯复合防护结构的多种新失效模式，揭示了高速弹体侵彻下三明治夹芯复合结构的能量耗散机制，阐明了三明治复合夹芯结构各组成部分的能量分配原理，提出了以复合防护结构抗弹能力为驱动的夹芯复合防护结构质量分布设计策略，回答了在相同面密度条件下如何设计芯材可压缩三明治复合防护结构的迎弹面板和背面板的问题。研究结果表明，较厚的迎弹面设计有利于提高复合防护结构的抗弹性能。

该课题研究结果丰富并完善了三明治夹芯复合防护结构抗弹设计的实验数据库，发展了三明治夹芯复合防护结构的侵彻动力学理论，将为三明治夹芯复合防护结构设计及其抗弹性能评价提供新思路和理论指导。

图1 金属泡沫夹芯复合防护结构及冲击弹体

图2 不同形状弹体侵彻金属泡沫夹芯复合防护结构的破坏形貌

图3 夹芯复合结构跨尺度弹道冲击数值计算模型

图4 刚性弹侵彻动力学模型

课题组近几年聚焦于面向国家重大需求中的关键基础科学问题，致力于先进材料/结构力学理论、实验、计算及多学科交叉，围绕极端条件下先进力材料与力结构的力学行为开展了深入系统的研究。该论文的第一作者为西安交通大学航天航空学院/机械结构强度与振动国家重点实验室博士生崔天宁，通讯作者为西安交通大学秦庆华教授和新加坡国立大学Poh L.H. 教授，西安交通大学为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、爆炸科学与技术国家重点实验室（北京理工大学）开放课题等基金的资助。这一成果以题为：金属泡沫夹芯复合结构弹道极限（Ballistic limit of sandwich plates with a metal foam core）近期发表在美国机械工程师协会旗下期刊ASME-Journal of Applied Mechanics, 2022, 89(2): 021006.

论文链接：https://doi.org/10.1115/1.4052835.