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《2018年全国固体力学学术会议摘要集(下)》2018年
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层级梯度金属泡沫夹芯方板的抗爆炸冲击性能与优化设计

敬霖  刘凯  苏兴亚  陈德  
【摘要】:泡沫金属材料因其独特的微结构特征,压缩应力-应变曲线中包含一个较长的应力平台,可承受较大的塑性变形,常作为吸能构件广泛地应用于可能遭受爆炸或高速冲击的防护工程中,以避免内含物受到危险应力的作用。千变万化的胞元拓扑构型和多尺度变化的孔径尺寸(在保持高孔隙率的前提下,孔径可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级)赋予其良好的可设计性,可以根据不同的应用需求在制备前对其微细观结构进行创新构型优化设计及多功能、多学科协同设计。泡沫金属材料由于其强度不高,应用范围受到极大的限制,常作为芯层材料构成夹芯结构。芯体对外壳的分隔有效地增大了夹芯结构的惯性矩,得到了一个抗弯曲和屈曲载荷的轻型化结构。但是,传统均质夹芯结构由于面板与泡沫芯层材料之间的刚度不匹配,易引起面板-芯层间的界面破坏。近年来,随着功能梯度夹芯结构的兴起,以期有效减小传统夹芯结构面板-芯层界面剪应力造成的损伤破坏。因制造工艺技术方面的限制,连续梯度金属泡沫夹芯结构方面的研究和应用进展较为缓慢,而层级梯度金属泡沫夹芯结构得到了较为广泛的关注。本文采用弹道冲击摆装置开展了传统均质夹芯板和层级梯度夹芯板的空中爆炸试验,得到了其不同爆炸冲量下典型的变形和失效模式,讨论了炸药当量和芯层组合方式对其抗冲击性能的影响。基于爆炸试验结果,采用有限元分析软件LS-DYNA开展了层级梯度夹芯板抗爆性能的数值模拟研究,研究了不同炸药形状对冲击波的传播特性以及结构动态响应的影响,讨论了载荷幅值和关键几何参量对层级梯度夹芯板抗冲击性能的影响规律,比较了传统均质夹芯结构和层级梯度夹芯结构组成部件在能量耗散机制和分配规律方面的差异。最后,分别以能量吸收或抗冲击性能为目标,对爆炸载荷下梯度金属泡沫夹芯复合板开展了单目标和多目标优化设计,以面板厚度和芯层密度为设计变量,得到了一系列"帕累托"最优解。
【作者单位】:西南交通大学牵引动力国家重点实验室
【基金】:国家自然科学基金项目(11402216)
【分类号】:O383

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