轻质铝泡沫夹芯板抗爆性能仿真与多目标优化设计

摘要

全球战略局势的不断变化和反装甲武器的高速发展对军用装甲车的防护要求越来越高。防御性好且轻质、机动灵活的新式装甲结构在军车防护领域倍受青睐。金属泡沫夹层结构因其轻质高强、高比刚度的特点以及优良的吸能能力和缓冲性能，在现代装甲防护领域表现出了巨大的应用前景。本文以此为契机，采用显式动力学有限元方法研究了三种铝泡沫夹芯板在爆炸荷载作用下的动力响应特性，并对结构进行了抗爆性多目标优化设计。
　　首先，利用LS-DYNA软件研究了六种具有不同面板材料组合的均质铝泡沫夹芯板在爆炸载荷下的动态响应;分析了面板材料对夹芯板抗爆性能的影响，发现具有较“软”迎爆面板和相对较“硬”背板的夹芯板综合抗爆性能最好。在此基础上，定量分析了面板和芯体厚度、芯体密度、炸点高度以及边界条件对夹芯板抗爆性能的影响。为进一步提高结构的抗爆性，以背板最大变形量和夹芯结构面比吸能为评价指标，基于响应面方法，分别在载荷确定和考虑载荷不确定性的条件下对夹芯板的材料参数和几何参数进行了多目标优化设计。研究结果表明，两个抗爆性评价指标无法协同改进，需要通过帕累托前沿(Pareto Front)确定最优设计;而且，不同爆炸载荷和不同权重分配方案下的Pareto前沿不同。
　　其次，仿真分析了弧形铝泡沫夹芯板的抗爆性能，并从变形模式等角度与均质铝泡沫夹芯平板的响应进行了对比。重点研究了曲率半径对弧形夹芯板抗爆性能的影响，发现在研究范围内，曲率半径影响夹芯板的变形模式;夹芯板的面比吸能随曲率半径的增大单调增加，而背板中心的最大变形量非单调，存在极大值点。基于此结论，以曲率半径、面板厚度及芯体厚度和密度为设计变量，对弧形夹芯板进行了抗爆性优化设计;分析了目标函数和五个设计变量间的相关关系。结果表明:具有不同曲率半径的弧形夹芯板在爆炸载荷下的变形模式不同;五个设计变量中，芯体密度对两个目标函数的影响最大;与初始设计相比，Pareto前沿上的设计点抗爆性能明显提高。
　　再次，介绍了梯度铝泡沫夹芯板的构成，研究了分层梯度铝泡沫夹芯板的芯体梯度排布对结构抗爆性能的影响。结果表明，梯度芯体具有很强的可设计性，芯体密度呈大小交替分布时夹芯板的综合抗爆性能最优;与等质量的均质铝泡沫夹芯板相比，梯度泡沫夹芯板抗爆性能显著提高。在此基础上，以各层铝泡沫的密度为设计变量，对梯度铝泡沫夹芯板进行了抗爆性优化设计。结果显示:优化设计可进一步提升梯度铝泡沫夹芯板的抗爆性能。
　　最后，将铝泡沫夹芯板应用在一款军用汽车的防爆设计中，并通过仿真分析对比了原车模型和采用铝泡沫夹芯装甲的改进模型中的假人伤害指标。结果表明，铝泡沫夹芯装甲板可有效提高军用汽车的抗爆性能，保护车内乘员的安全。