金字塔型点阵夹芯板抗爆抗侵彻性能仿真与优化

摘要

在现代装甲防护领域众多新材料、新结构当中，金属点阵材料夹层结构因其轻质而且比强度高、比刚度高的特点以及优秀的吸能素质和缓冲能力而崭露头角，有着不断向其他领域扩大应用的趋势。本文以此为研究对象，采用显式动力学有限元方法研究了金属金字塔型点阵材料夹芯板（PLSP）在爆炸载荷与弹体冲击作用下的动力响应特性，并对结构的抗爆与抗侵彻性能进行了分析与多目标优化设计。
　　首先，提出了两种模拟点阵芯体的简化等效模型，分别是壳单元简化模型与梁单元简化模型，梁单元简化模型可用于PLSP的抗爆性能分析与优化，壳单元简化模型可用于PLSP在侵彻工况下的仿真计算。在简化模型基础上，单一变量法得出了上下面板厚度、芯体层厚度、芯体腹杆截面边长以及炸高对夹芯板抗爆性能的影响。旨在改善夹芯板抗爆性能，以背板最大变形量和夹芯板面比吸能为评价指标，基于代理模型方法，分别在确定爆炸当量值和考虑爆炸当量不确定性的条件下以夹芯板的关键结构几何参数为设计变量进行多目标优化设计。研究发现，两个抗爆性能评价指标的改善方向并不是一致的，可在帕累托前沿(Pareto Front)根据需求选取最优设计;并且提供了考虑载荷不确定性条件下夹芯板抗爆性能的鲁棒性优化方法。
　　其次，引入铝合金进行夹芯板材料替换，形成不同材料构成的钢铝混合夹芯板。研究了四种具有不同材料构成的PLSP在爆炸载荷下的动态响应;将四种夹芯板抗爆性能归一化处理后，发现四种夹芯板都具有优化上升空间。进行了多目标优化后，结果表明，在不同设计需求下，其中三种夹芯板会相继成为不同阶段的最优解集，一种夹芯板的帕累托前沿相比之下不占优;钢铝混合夹芯板为设计者提供了更宽泛的最优抗爆性能选择范围。
　　再次，考虑到爆炸往往伴随着弹体侵彻的发生，仿真分析了PLSP的抗侵彻性能，采用了壳单元简化模型来模拟，并通过与实验结果验证其准确性。主要研究了三种入射位置侵彻历程，并探讨了其对弹道极限的影响，结果表明，三种位置入射的侵彻过程中变形模式不同;PLSP的弹道极限取决于弹体入射的最弱阻碍弹体入射的位置。
　　最后，仿真分析了曲面金字塔型点阵夹芯板的抗爆性能，重点研究了曲率半径对曲面夹芯板抗爆性能的影响，结果显示曲率半径的改变会导致夹芯板的变形模式不同;在本文设置的范围内，夹芯板的比吸能和背板最大变形量都随曲率半径的增大单调增加，但R趋向无穷大（平板）的情况背板最大变形量反而减小了，故存在极大值点。由此进行以曲率半径、上下面板厚度及芯体腹杆截面边长录制变量，以曲面夹芯板的抗爆性能为目标的多目标优化设计。结果表明，Pareto前沿上的设计点的抗爆性能较之初始设计有了明显提高。

目录

声明

摘要

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 爆炸分析及优化基础理论

2．1 爆炸载荷仿真

2．2 夹芯板抗爆性能评价指标

2．3 多目标优化与鲁棒性设计

2．3．1 多目标优化

2．3．2 鲁棒性设计

2．4 代理模型方法

2．4．1 试验设计

2．4．2 响应面模型

2．4．3 代理模型检验

2．5 遗传算法

2．6 本章小结

3 爆炸载荷下金字塔型点阵材料夹芯板动态响应仿真分析

3．1 金字塔型点阵材料夹芯板的制备

3．2 有限元模型

3．2．1 物理模型

3．2．2 简化模型

3．2．3 材料模型

3．2．4 有限元模型

3．3 有限元模型验证

3．4 关键结构几何参数对夹芯板抗爆性的影响

3．4．1 面板厚度的影响

3．4．2 芯体层的相对密度

3．4．3 芯体层结构因素对抗爆性能的影响分析

3．5 爆炸源离上面板的距离对夹芯板抗爆性能的影响

3．6 本章小结

4 单一材料金字塔型点阵材料夹芯板抗爆性多目标优化设计

4．1 优化问题定义

4．2 代理模型生成与检验

4．3 优化结果分析

4．3．1 不同爆炸荷载下的PLSP优化结果分析

4．3．2 PLSP鲁棒性设计结果分析

4．4 本章小结

5 钢铝混合金字塔型点阵材料的抗爆性能分析与优化

5．1 钢铝混合的PLSP的动态响应对比分析

5．2 钢铝混合金字塔点阵夹芯板抗爆性能优化

5．2．1 优化问题定义

5．2．2 优化过程与结果分析

5．3 本章小结

6 金字塔型点阵材料的抗侵彻性能研究

6．1 有限元模型

6．2 弹道极限

6．3 有限元模型有效性验证

6．4 不同射入位置的PLSP响应分析

6．4．1 不同射入位置的侵彻历程分析

6．4．2 不同入射位置对PLSP的弹道极限的影响

6．5 本章小结

7 曲面金字塔型点阵夹芯板抗爆性分析与优化

7．1 有限元模型

7．2 曲面金字塔型点阵夹芯板抗爆性能分析

7．3 曲率半径对CPLCSP抗爆性能的影晌

7．4 曲面金字塔点阵夹芯板抗爆性能优化设计

7．5 本章小结

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