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强动载荷作用下泡沫金属夹芯壳结构的动力学行为及其失效机理研究

【摘要】:超轻高孔隙率有序(点阵、格栅材料等)和无序(开、闭孔泡沫等)多孔金属,作为一种物理功能与结构一体化的新型工程材料,由于具有多尺度变化的孔径尺寸和丰富的孔形构型等独特的微结构拓扑,轻质高强、高比刚度及优良的吸能和缓冲性能等良好的力学特性,以及高阻尼性能、良好的流通性和过滤分离性能、理想的声热学和电磁学性能等多种优异物理性能,在消声减震、分离工程、催化载体、屏蔽防护、吸能缓冲等一些高技术领域有着越来越广泛的应用。以超轻多孔金属材料为芯层构成夹芯结构(梁、板)等结构元件,充分发挥了多孔材料优良特性的同时解决了其强度低的问题,这类结构在准静态和强动载荷下的力学行为已引起了学术界和工程界的极大关注。夹芯壳结构兼具壳体的结构优势和夹芯结构的力学特性,势必有着更为广泛的应用领域。但是,国内外对爆炸与冲击等强动载荷下多孔金属夹芯壳结构动力学行为的研究还鲜有报道,目前还没有得到其塑性动力响应的理论解析解。 本文采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法系统研究了强动载荷下泡沫金属夹芯壳结构塑性动力响应。研究内容主要包括以下几个方面:(一)爆炸载荷下泡沫铝夹芯壳结构的变形/失效模式和塑性动力响应,(二)泡沫金属子弹撞击载荷下泡沫铝夹芯壳结构的动力学行为,(三)轻质泡沫金属夹芯壳结构的多功能优化设计。文中主要讨论了不同加载条件下夹芯壳的变形/失效模式、能量吸收和变形机理以及抗冲击性能,取得如下重要成果: 采用自行研制的弹道冲击摆系统得到了爆炸载荷下不同加载冲量泡沫铝夹芯壳结构典型的变形/失效模态:前面板的压入和撕裂,芯层的压溃失效,后面板的非弹性大变形和撕裂破坏以及面板一芯层的界面失效。提出了低阻抗泡沫金属粘结高阻抗尼龙材料的撞击加载技术,得到了撞击载荷下泡沫铝夹芯壳结构出现的面板、芯层材料及面板-芯层材料界面之间的变形和失效。关键几何参数对泡沫铝夹芯壳结构变形影响的参数研究表明,夹芯壳后面板挠度与其拓扑构型和加载冲量之间存在较强的依赖性,增加面板厚度、芯层相对密度均能减小夹芯壳后面板中心点的挠度,提高其抗冲击破坏的能力;加载冲量和夹芯壳后面板挠度之间近似呈线性关系。采用动态应变片测试技术对爆炸加载和子弹撞击下夹芯壳结构的变形和失效机理研究发现,夹芯壳结构的整个变形区域分为纯弯曲变形、周向弯曲和轴向拉伸共同作用区域以及纯拉伸作用区域三个区域。纯弯曲和纯拉伸作用区域分别由弯矩和膜力主导变形,而其过渡区域则在弯矩和膜力的共同作用下产生变形。 基于实验研究结果,应用非线性有限元程序LS-DYNA3D970在HP-J6750工作站上分别开展了爆炸加载和子弹撞击下泡沫铝夹芯壳结构塑性动力响应的数值模拟研究。分析了炸药爆炸和结构响应过程,探讨了夹芯壳塑性弯曲和拉伸对结构爆炸响应的影响及其变形和失效机理,研究了夹芯壳结构及各组成部分的能量吸收能力。结果表明,泡沫铝夹芯壳结构能量吸收值随着冲击速度的增加而增大,但随着面板厚度、曲率半径和芯层相对密度的增加而减小。芯层压缩和拉-弯共同作用阶段的耦合效应与载荷强度、芯层强弱和芯层厚度密切相关。以给定重量的泡沫铝夹芯壳结构的抗冲击性能为优化目标,得到了曲率半径R=250mm、无量纲质量M/ρfL=0.025夹芯壳的最优拓扑构型为:ρ=0.06、hc/L=0.06;最佳承载范围为:(?)≤0.07。鉴于冲击损伤生物力学中人体损伤机制,初步讨论了强动载荷作用下多孔金属夹芯结构抗冲击性能的评价指标。 在Fleck等关于爆炸载荷下固支夹芯梁和夹芯板动力响应理论分析模型的基础上,考虑到爆炸载荷作用时间与芯层的压缩响应时间和夹芯结构的整体动力响应时间量级上的差异,将夹芯壳结构的动力响应过程分为三个阶段:流固耦合作用阶段、芯层压缩阶段和夹芯壳结构整体动力响应阶段。建立了强动载荷下泡沫铝夹芯壳的刚塑性分析模型,得到了响应时间和后面板最大挠度的表达式,理论预测与实验结果吻合较好。为多孔金属夹芯壳结构的工程应用设计及其多学科和特殊服役环境下的优化设计提供了理论和技术支持。

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