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冲击载荷作用下固支夹芯圆板的力学行为研究

【摘要】:多孔金属集优良的力学、热学、声学特性于一身,一般情况下它兼具功能和结构双重作用,是一种多功能、多用途的复合工程材料。由于其压缩应力-应变曲线中包含一个很长的应力平台,能够承受较大的塑性变形。近年来,在包装、国防军事、交通运输、建筑等多个领域应用越来越广泛,各方面性能研究受到了极大的关注。 本文采用泡沫铝子弹撞击加载的方式,系统地研究了固支夹芯圆板的变形、失效模式及能量吸收和变形机理。采用实验研究和数值计算两种方法进行分析。主要取得以下结论: 实验研究了夹芯圆板(波纹铝、蜂窝铝)子弹初始动量、蜂窝孔格边长、蜂窝芯层高度等参数对结构变形和失效模式以及抗冲击性能的影响。结果表明:增加蜂窝孔格边长会减少单位面积参与承载的蜂窝壁板个数,后面板挠度增大从而其抗撞击性能减弱。增加蜂窝芯层高度可以有效的减小其后面板挠度,但是会出现面板及芯层失效。因此合理选择蜂窝芯层高度对蜂窝夹芯圆板的抗撞击性能具有重要的意义。另外通过应变片测量技术的研究表明,在多孔金属夹芯圆板的动力响应过程中,会产生塑性铰并且塑性铰会从板中心向固支端移行。泡沫铝子弹撞击作用下,夹芯圆板前面板主要有三种变形和失效模式分别为:局部压入失效、整体大变形和侵彻失效。由于波纹板的各向异性特点,本文中还观察到在波纹夹芯圆板的前面板对称线附近出现了局部的褶皱。蜂窝芯层出现了压缩变形和剪切失效,其压缩变形是一个渐进模式,并且出现了全部折叠、部分折叠、未折叠三个区域;波纹芯层固支边界处还出现了在对称线附近局部压缩和剪切;蜂窝夹芯圆板后面板主要有三种失效模式,分别为:整体大变形、后面板轻微撕裂、花瓣形撕裂失效。波纹夹芯圆板后面板会在沿着波纹方向的对称线附近发生褶皱。 基于实验结果采用有限元程序LS-DYNA3D970模拟了泡沫铝子弹撞击作用下波纹铝、蜂窝铝夹芯圆板的结构响应过程、能量吸收及变形机制。研究发现,随着泡沫铝子弹撞击速度的增加,夹芯圆板后面板的挠度增大;增加面板厚度、芯层厚度、芯层高度和减小蜂窝孔格边长可以有效地减小后面板挠度,提高夹芯圆板的抗冲击性能。夹芯板吸收的能量随着冲击载荷的增大而增大;随面板厚度、随芯层厚度的增加,夹芯板所吸收的能量减小。蜂窝夹芯圆板随孔格边长的增加,夹芯板吸能量有所上升,但是由于芯层出现完全密实化,其吸能量先上升后不变。蜂窝铝夹芯板的吸能量,随蜂窝芯层高度的增加而减小,但芯层在整体能量耗散方面起到的作用越来越明显。需要指出的是实验中观察到芯层较高时容易出现面板及芯层失效,因此应该合理地选择芯层高度以达到更好的防护作用。泡沫铝子弹对夹芯板进行撞击加载来模拟爆炸载荷时,由于泡沫子弹的压缩密实,载荷作用时间明显长于爆炸载荷的作用时间,并且在泡沫子弹密实化后,泡沫铝子弹会对夹芯板产生加速撞击,且在较高速度撞击下产生的加速撞击作用对芯层的二次压缩有很明显的提高。芯层的形状对夹芯板的抗冲击性能有较大的影响,在给定冲量下,等质量的芯层形状采用菱形时,其夹芯板后面板的挠度较小,抗冲击性能最好。

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