強動載荷作用下泡沫金屬夾芯殼結(jié)構(gòu)的動力學(xué)行為及其失效機理研究.pdf

1、超輕高孔隙率有序(點陣、格柵材料等)和無序(開、閉孔泡沫等)多孔金屬,作為一種物理功能與結(jié)構(gòu)一體化的新型工程材料,由于具有多尺度變化的孔徑尺寸和豐富的孔形構(gòu)型等獨特的微結(jié)構(gòu)拓撲,輕質(zhì)高強、高比剛度及優(yōu)良的吸能和緩沖性能等良好的力學(xué)特性,以及高阻尼性能、良好的流通性和過濾分離性能、理想的聲熱學(xué)和電磁學(xué)性能等多種優(yōu)異物理性能,在消聲減震、分離工程、催化載體、屏蔽防護、吸能緩沖等一些高技術(shù)領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。以超輕多孔金屬材料為芯層構(gòu)成

2、夾芯結(jié)構(gòu)(梁、板)等結(jié)構(gòu)元件,充分發(fā)揮了多孔材料優(yōu)良特性的同時解決了其強度低的問題,這類結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)和強動載荷下的力學(xué)行為已引起了學(xué)術(shù)界和工程界的極大關(guān)注。夾芯殼結(jié)構(gòu)兼具殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,勢必有著更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。但是,國內(nèi)外對爆炸與沖擊等強動載荷下多孔金屬夾芯殼結(jié)構(gòu)動力學(xué)行為的研究還鮮有報道,目前還沒有得到其塑性動力響應(yīng)的理論解析解。
　　 本文采用實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了強動載荷

3、下泡沫金屬夾芯殼結(jié)構(gòu)塑性動力響應(yīng)。研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:(一)爆炸載荷下泡沫鋁夾芯殼結(jié)構(gòu)的變形/失效模式和塑性動力響應(yīng),(二)泡沫金屬子彈撞擊載荷下泡沫鋁夾芯殼結(jié)構(gòu)的動力學(xué)行為,(三)輕質(zhì)泡沫金屬夾芯殼結(jié)構(gòu)的多功能優(yōu)化設(shè)計。文中主要討論了不同加載條件下夾芯殼的變形/失效模式、能量吸收和變形機理以及抗沖擊性能,取得如下重要成果:
　　 采用自行研制的彈道沖擊擺系統(tǒng)得到了爆炸載荷下不同加載沖量泡沫鋁夾芯殼結(jié)構(gòu)典型的變形/失效

4、模態(tài):前面板的壓入和撕裂,芯層的壓潰失效,后面板的非彈性大變形和撕裂破壞以及面板一芯層的界面失效。提出了低阻抗泡沫金屬粘結(jié)高阻抗尼龍材料的撞擊加載技術(shù),得到了撞擊載荷下泡沫鋁夾芯殼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的面板、芯層材料及面板.芯層材料界面之間的變形和失效。關(guān)鍵幾何參數(shù)對泡沫鋁夾芯殼結(jié)構(gòu)變形影響的參數(shù)研究表明,夾芯殼后面板撓度與其拓撲構(gòu)型和加載沖量之間存在較強的依賴性,增加面板厚度、芯層相對密度均能減小夾芯殼后面板中心點的撓度,提高其抗沖擊破壞的能力;

5、加載沖量和夾芯殼后面板撓度之間近似呈線性關(guān)系。采用動態(tài)應(yīng)變片測試技術(shù)對爆炸加載和子彈撞擊下夾芯殼結(jié)構(gòu)的變形和失效機理研究發(fā)現(xiàn),夾芯殼結(jié)構(gòu)的整個變形區(qū)域分為純彎曲變形、周向彎曲和軸向拉伸共同作用區(qū)域以及純拉伸作用區(qū)域三個區(qū)域。純彎曲和純拉伸作用區(qū)域分別由彎矩和膜力主導(dǎo)變形,而其過渡區(qū)域則在彎矩和膜力的共同作用下產(chǎn)生變形。
　　 基于實驗研究結(jié)果,應(yīng)用非線性有限元程序LS-DYNA3D970在HP-J6750工作站上分別開展了爆炸加

6、載和子彈撞擊下泡沫鋁夾芯殼結(jié)構(gòu)塑性動力響應(yīng)的數(shù)值模擬研究。分析了炸藥爆炸和結(jié)構(gòu)響應(yīng)過程,探討了夾芯殼塑性彎曲和拉伸對結(jié)構(gòu)爆炸響應(yīng)的影響及其變形和失效機理,研究了夾芯殼結(jié)構(gòu)及各組成部分的能量吸收能力。結(jié)果表明,泡沫鋁夾芯殼結(jié)構(gòu)能量吸收值隨著沖擊速度的增加而增大,但隨著面板厚度、曲率半徑和芯層相對密度的增加而減小。芯層壓縮和拉.彎共同作用階段的耦合效應(yīng)與載荷強度、芯層強弱和芯層厚度密切相關(guān)。以給定重量的泡沫鋁夾芯殼結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能為優(yōu)化目標(biāo)

7、,得到了曲率半徑R=250mm、無量綱質(zhì)量—M/ρfL=0.025夾芯殼的最優(yōu)拓撲構(gòu)型為:—ρ=0.06、hc/L=0.06;最佳承載范圍為:—I/(—M(√σfY/ρf)≤0.07。鑒于沖擊損傷生物力學(xué)中人體損傷機制,初步討論了強動載荷作用下多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的評價指標(biāo)。
　　 在Fleck等關(guān)于爆炸載荷下固支夾芯梁和夾芯板動力響應(yīng)理論分析模型的基礎(chǔ)上,考慮到爆炸載荷作用時間與芯層的壓縮響應(yīng)時間和夾芯結(jié)構(gòu)的整體動力響應(yīng)