多层梯度点阵夹芯结构抗爆性能研究

摘要

抗爆防护结构不仅在军事应用领域至关重要，在化学、石油以及核能工业中也占有重要的地位，目前大多数的抗爆防护结构多采用实体板结构。但是随着科学技术和现代工业的快速发展，寻找一种具有轻质、高强度和多功能一体化的材料已成为抗爆防护结构的发展方向。从这种角度出发，集合了超轻质、高比强度和多功能特性的点阵夹芯结构成为了研究热点。现有实验研究发现，在爆炸载荷下点阵夹芯结构不仅拥有面板延展、芯子杆件压缩失效和剪切失效等多种能量吸收机制，且其开放性的拓扑构型为芯子杆件发生较大的塑性变形提供了足够的空间，这说明点阵夹芯结构在抗爆防护方面具有很大的优势。与单层点阵夹芯结构相比，多层点阵夹芯结构具有更好的抗爆防护效果，但是非梯度的多层点阵夹芯结构在承受爆炸载荷时，各夹芯层的变形程度差别很大，这一点大大限制了点阵夹芯结构的抗爆性能，为此本文设计并研究了多层梯度点阵夹芯结构在爆炸载荷下的动态力学响应。
　　本文利用ABAQUS有限元分析软件，采用CONWEP爆炸加载方式对多层梯度点阵夹芯结构的动态力学性能进行了数值模拟。首先通过调整点阵芯子杆件横截面边长设计了四种三层梯度点阵夹芯结构模型，分别为强弱相间模型、弱强相间模型、渐弱模型及渐强模型，分析了金字塔和沙漏两种拓扑构型的梯度点阵夹芯结构在爆炸载荷下的后面板中心挠度峰值、芯子变形能和各层芯子的变形。研究发现，对于多层梯度金字塔点阵夹芯结构，强弱相间模型和渐强模型的抗爆冲击性能明显好于非梯度模型。强弱相间模型中相对密度比为50％的构型充分利用了前两层芯子的变形吸能，从而对第三层芯子和后面板起到了很好的保护效果，故此种梯度模型的抗爆冲击性能最好。多层梯度沙漏点阵夹芯结构表现出与金字塔点阵结构比较相似的规律，强弱相间模型和渐强模型的抗爆冲击性能明显好于其他模型，强弱相间模型中和渐强模型中相对密度比为50％的构型充分利用了前两层芯子的变形吸能，从而对第三层芯子和后面板起到了很好的保护效果。对比金字塔点阵结构和沙漏点阵结构，在相同爆炸载荷下，沙漏点阵结构的抗爆性能优于金字塔点阵结构。对于不同爆炸载荷作用情况，由分析结果可以看出，炸药量越大，结构动态响应对芯子相对密度比越敏感。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 金属点阵夹芯结构的制备方法

1．2．1 冲压折叠法

1．2．2 熔模铸造法

1．2．3 电火花切割法

1．2．4 嵌锁工艺

1．3 点阵夹芯结构力学性能研究现状

1．3．1 点阵夹芯结构静态力学性能研究

1．3．2 点阵夹芯结构动态力学性能研究

1．4 梯度夹芯结构的动态力学性能研究

1．5 本文的主要研究内容

第2章 点阵夹芯结构抗爆性能的数值模拟方法研究及有效性验证

2．1 爆炸载荷的施加

2．2 爆炸载荷下点阵夹芯结构仿真模型验证

2．2．1 爆炸实验简介

2．2．2 有限元仿真模型

2．2．3 仿真与实验对比

2．3 本章小结

第3章 多层梯度金字塔点阵夹芯结构抗爆性能分析

3．1 几何模型

3．1．1 整体几何尺寸

3．1．2 芯子单胞相对密度的理论推导

3．1．3 梯度模型的几何尺寸

3．2 有限元模型

3．2．1 单元、接触及边界条件

3．2．2 本构模型

3．3 多层梯度金字塔点阵夹芯结构的动力响应

3．3．1 抗爆性能分析

3．3．2 四种梯度模型的变形能分析

3．3．3 结构整体变形模式

3．4 本章小结

第4章 多层梯度沙漏点阵夹芯结构抗爆性能分析

4．1 几何模型

4．1．1 整体几何尺寸

4．1．2 芯子单胞相对密度的理论推导

4．1．3 梯度模型的几何尺寸

4．2 有限元模型

4．3 多层梯度沙漏点阵夹芯结构的动力响应

4．3．1 抗爆性能分析

4．3．2 变形能分析

4．3．3 结构整体变形

4．4 金字塔模型与沙漏模型在抗爆性能方面的对比

4．4．1 后面板中心挠度峰值的对比

4．4．2 结构整体变形的对比

4．5 不同炸药量下梯度沙漏点阵夹芯结构的抗爆性能分析

4．5．1 不同炸药量下H1模型的后面板中心挠度峰值

4．5．2 不同炸药量下H1模型的结构整体变形

4．5．3 不同炸药量下H4模型的后面板中心挠度峰值

4．5．4 不同炸药量下H4模型的结构整体变形

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢