多层金字塔点阵夹芯板抗爆性能分析与优化

摘要

得益于其轻质、高比强度、高比刚度以及可设计性等优势，金字塔点阵材料夹芯板在现代军事防护领域极具应用潜力。在战场上的夹芯板通常附加于汽车乘员舱底部，可以保护车内乘员不受爆炸性武器伤害。与单层点阵夹芯板相比，多层点阵夹芯板具有更好的抗爆防护效果，但多层梯度夹芯板在承受爆炸冲击时，各层芯体之间变形差别很大。基于此研究背景，本文采用动力显式有限元仿真技术，研究了不同结构形式的梯度与非梯度两类多层金字塔点阵夹芯板，及其在爆炸载荷冲击下的动态响应，分析了关键几何参数对两类夹芯结构抗爆性能的影响，在此基础上对上述两类结构进行了关于抗爆性能的多目标优化。 本文采用Hypermesh有限元分析软件，以梁单元代替实体单元建立简化的芯体等效模型，进而搭建非梯度多层金字塔点阵夹芯板的有限元模型。并通过与文献实验结果对比验证其准确性。在此基础上，分析了上述有限元模型在爆炸载荷冲击下的变形和吸能。仿真结果显示因各层芯体变形有较大差异，非梯度基准金字塔点阵结构的吸能特性受到限制，需要分析造成梯度与非梯度夹芯板间变形和吸能差异的参数。文中以面比吸能和背板最大变形量为评价指标，分析了关键几何参数对梯度与非梯度多层金字塔点阵夹芯结构抗爆性能的影响。其中，梯度点阵结构的参数包括各层面板厚度、各层芯体高度以及各层芯体腹杆横截面尺寸；非梯度点阵结构的参数则包括面板厚度和单胞相对密度。 为提高夹芯板的抗爆性能，以结构面比吸能和背板中心最大变形量为优化目标，以对多层夹芯板性能影响较大的多个几何参数为变量，采用RBF响应面代理模型和NSGA-II遗传算法，分别对梯度和非梯度多层金字塔点阵夹芯板进行优化，得到了各自最优非支配解集的Pareto前沿。进一步地，考虑爆炸到载荷不确定性，对结构进行了可靠性优化设计。比较不同爆炸当量下的两类多层夹芯板的优化结果发现，单一爆炸载荷下夹芯板的两个抗爆性能指标MaxD和ASEA是互相矛盾的；随着爆炸当量的增加，ASEA和MaxD取值也会同时增大；单一爆炸工况下的理想最优解可靠性差，引入载荷不确定性使得可靠性设计结果为了满足抗爆性能可靠性而选择了折衷；当背板中心最大瞬时位移较小时，梯度夹芯板具有更大吸能优势；反之，非梯度夹芯板更具潜力。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 MPLSP有限元模型与验证

2.1 几何模型

2.1.1 整体几何尺寸

2.1.2 芯体单胞相对密度

2.2 有限元模型

2.2.1 物理模型

2.2.2 简化模型

2.2.3 材料模型

2.2.4 爆炸载荷模型

2.2.5 抗爆性能评价指标

2.3 模型验证

2.4 本章小结

3 爆炸载荷下MPLSP动态响应与参数分析

3.1 基准模型

3.2 动态响应分析

3.2.1 结构变形分析

3.2.2 抗爆性能分析

3.3 非梯度几何结构参数分析

3.3.1 面板厚度

3.3.2 芯体的单胞相对密度

3.4 梯度几何结构参数分析

3.4.1 面板厚度

3.4.2 芯体厚度

3.4.3 腹杆截面边长

3.4 本章小结

4 MPLSP抗爆性能的多目标优化设计

4.1 优化问题定义

4.1.1 多目标优化模型

4.1.2 非梯度优化模型生成

4.1.3 梯度优化模型生成

4.1.4 可靠性优化模型生成

4.2 代理模型生成与检验

4.2.1 代理模型方法

4.2.2 非梯度代理模型生成与检验

4.2.3 梯度代理模型生成与检验

4.3 优化结果分析

4.3.1 非梯度MPLSP多目标优化结果

4.3.2 梯度MPLSP多目标优化结果

4.3.3 非梯度与梯度MPLSP优化结果比较

4.4 本章小结

5 结论与展望

参考文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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