強(qiáng)動載荷作用下多孔金屬夾芯方板的動態(tài)力學(xué)行為研究.pdf

1、多孔金屬以其優(yōu)異的力學(xué)性能和物理特性被廣泛的應(yīng)用于航空航天、交通物流、軍事工業(yè)以及建筑等領(lǐng)域，是一種集多功能與一體、能良好適應(yīng)各類服役環(huán)境的先進(jìn)材料。以多孔金屬為芯層的夾芯結(jié)構(gòu)既彌補(bǔ)了多孔金屬本身的強(qiáng)度不足，又充分發(fā)揮了面板與芯層的各自優(yōu)勢，極大的拓寬了多孔金屬材料的應(yīng)用范圍。關(guān)于多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)載荷和動載荷下的力學(xué)行為研究已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題。目前這一課題尚未形成系統(tǒng)的研究體系，仍然具有大量的問題亟待解決。相信隨著研

2、究的不斷深入，多孔金屬夾芯結(jié)構(gòu)將在工程應(yīng)用和高科技領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
　　 本文針對典型的鋁蜂窩夾芯板和鋁波紋夾芯板進(jìn)行了爆炸加載實驗和泡沫子彈撞擊加載實驗，通過改變炸藥當(dāng)量、距離、子彈撞擊速度等載荷參數(shù)，研究了不同沖量下固支夾芯方板的變形失效模式和塑性動力響應(yīng)過程。實驗結(jié)果表明，芯層厚度和芯層平均密度的增大均能有效的減小后面板的最終撓度，而厚度和平均密度的增大將會增加結(jié)構(gòu)的體積與質(zhì)量，如何平衡抗爆性能與夾芯結(jié)構(gòu)體積與質(zhì)

3、量之間的關(guān)系是夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要考慮因素。爆炸載荷作用下夾芯板的面板主要有塑性大變形、撕裂、侵入失效三種失效模式，芯層變形區(qū)域可分為壓實、部分壓實以及邊界三個區(qū)域，在邊界處將有明顯的剪切失效發(fā)生。子彈撞擊作用下前面板主要有壓入、撕裂和“嵌入”失效，后面板為“穹”形整體變形以及局部的撕裂直至穿透。芯層的主要變形區(qū)域位于子彈撞擊區(qū)域，與爆炸載荷相比，邊界處不出現(xiàn)明顯的剪切失效。夾芯板的失效模式與泡沫子彈的密度相關(guān)，在一定的沖量下，當(dāng)泡沫鋁相

4、對密度較低或者較高時，子彈撞擊過程中自身所耗散的內(nèi)能將更少，從而子彈的動能將更多的傳遞給結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致夾芯結(jié)構(gòu)的“嵌入”失效。在強(qiáng)動載作用下結(jié)構(gòu)的瞬時撓度將超過其最終撓度10％-40％，可能產(chǎn)生對被保護(hù)結(jié)構(gòu)與人員的更大傷害。應(yīng)變結(jié)果表明泡沫鋁子彈撞擊加載下結(jié)構(gòu)的運動過程可以分為子彈壓縮、子彈和彈托共同作用兩個階段。
　　 基于實驗結(jié)果，采用非線性有限元軟件AUTODYN對爆炸載荷和子彈沖擊作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了

5、載荷與結(jié)構(gòu)的作用過程、芯層的變形過程、結(jié)構(gòu)各部分的能量吸收以及結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理。結(jié)果表明:相對于球面波，柱形炸藥所產(chǎn)生的沖擊波作用下，夾芯板中心所承受的載荷強(qiáng)度明顯增大，夾芯板的塑性區(qū)域?qū)⑹紫仍谥行某休d區(qū)形成并逐漸向邊界處移動，夾芯板承載區(qū)域?qū)⒏菀壮霈F(xiàn)侵入失效。對于蜂窩夾芯板，爆炸載荷作用的初始階段芯層就已經(jīng)出現(xiàn)屈曲并開始壓縮，當(dāng)芯層達(dá)到最大壓縮量之后蜂窩板的整體運動開始;而對于波紋夾芯板，由于其芯層壁厚較大，在載荷作用的初始階段幾乎和

6、前面板同時加速，在前面板加速到最大速度的過程中才發(fā)生屈曲，并且在整體運動階段抗彎剛度較弱的方向上將出現(xiàn)褶皺。在泡沫鋁子彈撞擊下，夾芯板將經(jīng)歷子彈和彈托達(dá)到共同速度時的加速撞擊過程，當(dāng)撞擊速度較小時這一加速撞擊的影響較小，隨著撞擊速度的增大，其影響將明顯的提高，有可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生進(jìn)一步的損傷。隨著面板厚度的增大，芯層在子彈壓縮階段不能完全壓實，在加速撞擊過程中芯層將進(jìn)一步的壓縮。隨著面板厚度、芯層厚度、芯層壁厚的增大，后面板撓度不斷減小。夾

7、芯板的能量吸收與載荷強(qiáng)度密切相關(guān)，較小的載荷下結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮能量吸收能力，而較強(qiáng)的載荷下結(jié)構(gòu)則不能充分吸收載荷的能量而失去應(yīng)有的保護(hù)作用，因此在設(shè)計中需要充分考慮夾芯結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的載荷條件。
　　 利用AUTODYN對強(qiáng)動載作用下典型的泡沫鋁夾芯板的運動模式進(jìn)行了分析，對Fleck模型中的耦合問題進(jìn)行了研究，考察了泡沫子彈撞擊載荷作用下結(jié)構(gòu)的運動過程。結(jié)果表明:Fleck模型對于近場的柱狀炸藥起爆，有可能較低（弱沖擊波或者強(qiáng)度