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内爆炸载荷下梯度泡沫铝夹芯管的动态响应

【摘要】:多孔金属夹芯结构具有低密度、高比强度、高比刚度及良好的能量吸收性能等特点,在车辆、轮船、核工业等领域有着广阔的应用前景。而多孔金属夹芯结构,在受到爆炸载荷作用后,常会发生较大的塑性变形甚至会导致结构的破坏。因此,有必要了解夹芯结构在爆炸载荷下的力学行为。本文以泡沫铝夹芯管为研究对象,基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型,研究了均匀泡沫铝芯层夹芯管、梯度泡沫铝芯层夹芯管在内爆炸载荷下的变形规律与能量吸收,主要工作如下:(1)基于3D-Voronoi技术构建了泡沫铝芯层的三维细观有限元模型,通过胞元大小或胞元壁厚表征芯层的相对密度,分析了这两种方式构建的芯层对夹芯管结构变形量和吸能性能的影响。研究结果表明:改变胞元大小或改变胞元壁厚构建的芯层对夹芯管内、外管的变形量和能量吸收效果一致。(2)利用有限元软件LS-Dyna研究了内爆炸载荷下夹芯管的变形规律与能量吸收性能。保持夹芯管总质量不变的条件下,分析了夹芯管结构内管和外管的壁厚对其变形与吸能性能的影响,并研究了泡沫芯层的厚度、相对密度和炸药量对夹芯管在内爆炸载荷下动态响应的影响。夹芯管的变形过程大致分为三个阶段:冲击波与内管相互作用阶段、内管压缩泡沫芯层阶段和外管变形阶段。在保持内外管质量一定的情况下,增大内管壁厚,夹芯管结构整体的能量吸收性能下降,内管的变形量减小,外管的变形量会先减小后增大。随着芯层相对密度的增加,内管的变形量减小,外管的变形量增加。增加芯层厚度,外管的最大变形量降低,泡沫芯层的吸能增加。(3)研究了在内爆炸载荷下双层正梯度、双层负梯度和双层相同密度夹芯管的变形和能量吸收性能。双层正梯度夹芯管与双层负梯度夹芯管的变形模式不同,内爆炸载荷作用下负梯度夹芯管的泡沫芯层由内管到外管逐层压实,正梯度夹芯管内层泡沫芯层部分被压实后,在两层泡沫芯层的交界处外层泡沫芯层部分被压实,之后两层芯层同时被压实。3组不同芯层的夹芯管中双层正梯度夹芯管的抗爆性能最好,增加正梯度夹芯管双层芯层的密度差可以降低外管变形量,减内层芯层的厚度可以提高正梯度夹芯管的抗爆性能。(4)研究了内爆炸载荷下三层梯度芯层夹芯管的变形和能量吸收性能,对比分析了3种不同相对密度芯层的6种排列方式、2种不同相对密度芯层的4种排列方式对夹芯管结构的抗爆性能与吸能性能的影响,考虑了不同芯层相对密度差和芯层厚度的影响。6种芯层相对密度排列方式中由内管到外管芯层相对密度为中高低时,夹芯管结构吸收能量最多。当泡沫芯层只有两种相对密度时,其芯层相对密度排列方式由内管到外管为低高低的夹芯管抗爆性能要优于排列方式为高低高的夹芯管。

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