泡沫材料对水下爆炸能量吸收及其冲击特性的研究

摘要

泡沫材料具有优良的吸收能量、减轻冲击与爆炸载荷的特性，是一种新型的工程材料，已被广泛地应用于各类结构物的抗爆炸、耐冲击等防护工程。泡沫材料的力学行为与加载条件密切相关，关于泡沫材料在冲击和空中爆炸载荷下的力学行为已有大量研究，而对水下爆炸加载条件下的研究却相对较少。为了丰富泡沫材料在水下爆炸载荷下的力学行为研究，本文主要研究了泡沫材料在水下爆炸冲击载荷作用下的吸能特性及其对结构动态响应的影响，以及泡沫材料爆炸冲击特性的表征。
　　 本文首先实验研究了泡沫铝和泡沫混凝土（空心玻璃微球-混凝土复合泡沫）柱壳对水下爆炸冲击波能量的吸收。这两种材料均能有效地吸收爆炸冲击波能量，消减水中爆炸冲击波压力峰值。泡沫材料柱壳的厚度对水下爆炸冲击波能量的衰减影响十分显著。同时，通过水下摄影技术捕捉爆炸过程中泡沫材料柱壳的变形和破坏过程。并以实验为基础，利用有限元软件LS-DYNA模拟了PETN药柱在不同壁厚泡沫铝和泡沫混凝土柱壳包裹下的径向压力分布，模拟结果与实验数据基本吻合。
　　 基于平面波和特征线理论，分析了水下空背板透射到空气界面上的压力，并结合Brode数值方法对透射冲击波在空背板背面空气介质中的传播衰减特性进行了研究。为了进一步研究垫片对双层壳体结构响应的影响，进行了水下爆炸实验。通过数值计算和实验数据分析，表明利用PVDF薄膜压电传感器对水下爆炸冲击压力进行测量是可行的；内层壳体的底板变形受到由垫片传递的压力的影响；泡沫铝垫片与钢板垫片两种情况相比较，前者内层壳的底板变形量小于后者。
　　 流-固界面上水下爆炸冲击波的入射压力的测量，对评价舰船的抗爆性能具有重要意义。为获得水中爆炸冲击波在流-固界面上的入射压力时程曲线，设计出一种双层壳体结构，并在壳体底部分别布置2个PVDF薄膜压电压力传感器测量冲击波压力。并应用有限元程序LS-DYNA对实验过程进行数值模拟。研究表明，实验测试结果与数值模拟结果基本吻合；PVDF薄膜压电传感器可用于流-固界面上水下爆炸冲击入射压力的测量。
　　 为了进一步研究泡沫铝柱壳的径向冲击压缩行为，基于质量和动量守恒原理及理想刚塑性冲击波理论，针对泡沫铝柱壳承受内爆炸加载作用下的压缩过程，从时间上，将泡沫铝承载过程划分为两个阶段：阶段Ⅰ内泡沫铝承受爆炸载荷作用，阶段Ⅱ内承受惯性作用，建立了泡沫铝环板动态压缩过程的工程解析模型。将该模型与应力波和水下爆炸理论相结合，可计算出水下爆炸冲击波经不同厚度的泡沫铝透射入水中的压力。压力计算结果与实验数据、有限元软件LS-DYNA模拟结果均吻合良好，从而也证明了所建模型的正确性。
　　 本文还讨论了泡沫铝材料冲击特性的描述问题。基于流体弹塑性模型，建立了描述泡沫铝在爆炸载荷下的冲击特性方程。采用Lagrange差分格式，在均匀网格上对方程进行了离散，编写了一维柱对称多物质（炸药、泡沫铝、水和空气）有限差分计算程序，进行了炸药在空中和水中爆炸的一维数值计算．在爆炸压力场中考虑了泡沫铝密度、环境介质对泡沫铝材料冲击特性的影响。结果表明，数值计算结果与实验数据基本吻合，证明所建立的泡沫铝的流体弹塑性本构方程可以用来描述泡沫铝的冲击特性；泡沫铝的密度越低，泡沫铝中的压力峰值越小；在接触爆炸条件下，泡沫铝柱壳邻近介质对远离药柱的壳体外侧处压力分布影响很大，而对与药柱接触的壳体内侧处压力分布影响很小；在相同装药条件下，随着泡沫铝的密度的增加，炸药爆炸加载作用时间缩短，炸药传递给泡沫铝的冲量增大，泡沫铝中峰值压力和质点速度剧烈变化区域随之缩小。其中，环境介质若为空气，则临近空气端泡沫铝中的压力呈下降趋势，若环境介质为水，则临近水端泡沫铝中的压力呈上升趋势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 水下爆炸载荷下结构响应的研究现状及分析

1．3 泡沫材料吸能研究现状及分析

1．4 泡沫材料冲击特性描述研究现状及分析

1．5 主要研究内容

参考文献

第2章 泡沫材料吸能特性的实验研究

2．1 引言

2．2 测试原理与实验器材

2．2．1 测试原理

2．2．2 实验器材

2．3 泡沫铝柱壳的耗能特性实验研究

2．3．1 试件制备

2．3．2 实验结果与分析

2．4 泡沫混凝土柱壳的耗能特性实验研究

2．4．1 试件制备

2．4．2 测试系统

2．4．3 实验结果与分析

2．5 本章小结

参考文献

第3章 泡沫材料对水下爆炸压力分布影响的数值模拟

3．1 引言

3．2 PETN药柱水下爆炸的数值模拟

3．2．1 计算模型

3．2．2 材料模型与计算参数

3．2．3 模拟结果与分析

3．3 泡沫铝对水下爆炸压力场影响的数值模拟

3．3．1 计算模型

3．3．2 材料模型与计算参数

3．3．3 模拟结果与分析

3．4 空心玻璃微球-混凝土对水下爆炸压力分布影响的数值模拟

3．4．1 计算模型

3．4．2 材料模型与计算参数

3．4．3 模拟结果与分析

3．5 本章小结

参考文献

第4章 泡沫铝垫片对壳体冲击响应的影响与压力测试

4．1 引言

4．2 理论研究

4．2．1 水下爆炸冲击波参数计算

4．2．2 刚性空背平板

4．2．3 空气中冲击波数值模型

4．3 实验研究

4．3．1 实验概况

4．3．2 实验结果与分析

4．4 流-固界面爆炸入射压力的数值模拟

4．4．1 计算模型

4．4．2 材料参数

4．4．3 计算结果与分析

4．5 本章小结

参考文献

第5章 泡沫铝柱壳的径向冲击压缩模型

5．1 引言

5．2 径向爆炸冲击压缩模型

5．3 模型的验证

5．3．1 爆炸加载曲线的计算

5．3．2 压力演化的数值计算与分析

5．4 本章小结

参考文献

第6章 基于流体弹塑性模型的泡沫铝冲击特性描述

6．1 引言

6．2 数值计算模型及参数

6．1．1 流体弹塑性模型

6．2．2 孔隙材料冲击绝热参数的计算

6．2．3 材料参数

6．3 数值计算程序的验证

6．3．1 接触爆炸界面压力与速度

6．3．2 PETN药柱水下爆炸的压力场

6．3．3 PETN药柱在泡沫铝包裹下水下爆炸的压力场

6．4 泡沫铝材料冲击特性的数值计算

6．4．1 泡沫铝密度对其冲击特性的影响

6．4．2 不同的爆炸加载条件对其冲击特性的影响

6．5 本章小结

参考文献

第7章 全文总结与展望

7．1 主要研究结果

7．2 主要创新点

7．3 工作的展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果