空中近场爆炸载荷下夹层板结构的动力学行为及其失效机理研究

摘要

夹层结构作为一种新型轻质结构，具有比强度高、比刚度大、能量吸收效率高和隔振隔音等优异性能，在航空航天、建筑、汽车和船舶等领域应用广泛。这类结构在准静态、撞击和中远场(空中和水下)爆炸载荷作用下的力学行为已获得学术界和工程界极大地关注，相关研究工作开展比较广泛；而在空中近场爆炸载荷作用下的相关研究工作开展并不多，特别是针对不同芯层形式对夹层结构抗爆性能的综合分析对比很少。因此，通过开展实验和数值研究，掌握其动力学行为特征及失效机理，具有非常重要的理论意义和实用价值。本文研究内容为国家自然科学基金项目“空中近场爆炸下金属波纹夹层结构动态响应与失效机理研究”（项目编号：51209099）和船舶预研支撑技术基金项目“空中近场爆炸下某特种防护材料力学行为研究”主要组成部分。
　　本研究主要内容包括：⑴以梯形波纹金属夹层板结构为对象，对其在不同强度空中爆炸载荷作用下动态响应进行实验和数值模拟研究。采用激光焊接技术加工制造了13个实验模型。根据实验结果，获得了这种结构最大变形量和失效模式随爆距和结构尺寸变化的规律，甄别了空中近场爆炸载荷作用下梯形波纹夹层板结构表现出的不同变形/失效模式。通过构建精细数值模型，采用映射技术，准确模拟了爆轰波/冲击波传播过程、冲击波与结构耦合作用过程，得到了这种结构在空中爆炸载荷作用过程中的典型物理量特征，发现了不同于实体板结构的耦合面压力分布特征、塑性应变分布特征以及变形/失效模式，讨论了几何尺寸对其能量吸收特性的影响规律。⑵以三角形波纹金属夹层板结构为对象，对其在不同强度空中爆炸载荷作用下动态响应进行实验和数值模拟研究。采用激光焊接技术加工制造了3个实验模型。根据实验结果，甄别了爆炸载荷作用下三角形波纹金属夹层板结构呈现出的变形/失效模式，比较了这种结构与实体板、梯形波纹夹层板结构的抗爆特性，发现三角形波纹夹层板结构在3种强度爆炸载荷下的最大塑性变形量都小于梯形波纹夹层板结构和实体板的最大塑性变形量。研究了三角形波纹夹层板结构几何尺寸对其耦合面压力分布特征和变形模式的影响规律，分析了几何尺寸对其能量吸收特性的影响。⑶基于梯形波纹和三角形波纹金属夹层板实验结果，考虑了爆距对爆炸载荷的影响以及芯层相对密度对上面板的支撑作用，开展了用于预测夹层板上面板最大塑性变形的无量纲损伤因子修正工作，发现本文提出的无量纲损伤因子能够有效预测波纹金属夹层板上面板最大塑性变形。⑷以芯层材料为泡沫铝、聚氨酯泡沫、聚氯乙烯弹性体的夹芯夹层板结构作为研究对象，对其在同一强度空中爆炸载荷作用下动态响应进行实验研究。以环氧树脂胶作为粘接剂加工了16个实验模型。甄别了夹芯夹层板结构在相同爆炸载荷下呈现出的不同失效模式，发现该结构下面板变形模式与波纹型夹层板结构存在较大差异，主要以整体大变形为主，分析了上面板厚度、下面板厚度、芯层高度对其最大变形量和失效模式的影响，对比了不同填充材料对夹芯夹层板结构抗爆性能的影响。⑸以填充聚氨酯、聚氯乙烯梯形波纹杂交夹层板结构为对象，对其在不同强度空中爆炸载荷作用下动态响应进行实验研究。开展了8个模型实验，分析了不同填充方式和不同填充材料的梯形波纹杂交夹层板结构的抗爆性能，发现填充物能够有效提高芯层壁板的强度和刚度，并且小爆距下迎爆面填充方式可明显影响流固耦合作用，降低上面板在与冲击波耦合过程中获得的动能，可有效降低杂交夹层板的最大塑性变形，但这种现象在冲击波强度不高时并不存在，反而由于迎爆面填充方式将冲击波施加在上面板的压力传递至下面板，会导致下面板变形增大。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 夹层结构的分类、制备方法与应用

1.3 夹层结构准静态力学行为研究现状分析

1.4 夹层结构动态力学行为研究现状分析

1.5 本文的主要研究内容

2 实验试件制备与爆炸实验装置

2.1 引言

2.2 实验试件基体材料

2.3 实验试件制备方法

2.4 爆炸实验装置

2.5 本章小结

3 空中近场爆炸载荷下波纹金属夹层板动态响应及失效实验研究

3.1 引言

3.2 实验试件

3.3 变形和失效模式

3.4 爆距和结构几何参数对抗爆性能的影响分析

3.5 与实体板抗爆性能的对比分析

3.6 无量纲损伤因子

3.7 本章小结

4 空中近场爆炸载荷下波纹金属夹层板动态响应数值研究

4.1 引言

4.2 有限元数值模型

4.3 三角形波纹金属夹层板数值结果与分析

4.4 梯形波纹金属夹层板数值结果与分析

4.5 本章小结

5 空中近场爆炸载荷下夹芯夹层板动态响应及失效实验研究

5.1 引言

5.2 实验试件

5.3 变形和失效模式分析

5.4 结构几何参数对抗爆性能的影响分析

5.5 不同芯层材料对抗爆性能的影响分析

5.6 本章小结

6 空中近场爆炸载荷下波纹杂交夹层板动态响应及失效实验研究

6.1 引言

6.2 实验试件

6.3 变形和失效模式分析

6.4 上面板厚度和爆距对抗爆性能的影响分析

6.5 不同填充方式和填充材料对抗爆性能的影响分析

6.6 本章小结

7 全文总结

7.1 全文的工作及主要结论

7.2 本文工作的主要创新点

7.3 对未来工作的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2 攻读学位期间其他学术成果

附录3 攻读学位期间参加的主要科研项目