強動載荷作用下多孔金屬夾芯方板的動態(tài)力學行為研究.pdf

1、多孔金屬以其優(yōu)異的力學性能和物理特性被廣泛的應用于航空航天、交通物流、軍事工業(yè)以及建筑等領域，是一種集多功能與一體、能良好適應各類服役環(huán)境的先進材料。以多孔金屬為芯層的夾芯結構既彌補了多孔金屬本身的強度不足，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用范圍。關于多孔金屬夾芯結構在準靜態(tài)載荷和動載荷下的力學行為研究已成為國內外學者研究的熱點問題。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，多孔金屬夾芯結構將在工程應用和高科技領域發(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過程。實驗結果表明，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構的體積與質量，如何平衡抗爆性能與夾芯結構體積與質

3、量之間的關系是夾芯結構設計的重要考慮因素。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，在一定的沖量下，當泡沫鋁相

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能將更少，從而子彈的動能將更多的傳遞給結構從而導致夾芯結構的“嵌入”失效。在強動載作用下結構的瞬時撓度將超過其最終撓度10％-40％，可能產(chǎn)生對被保護結構與人員的更大傷害。應變結果表明泡沫鋁子彈撞擊加載下結構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構的動力響應進行了數(shù)值模擬。分析了

5、載荷與結構的作用過程、芯層的變形過程、結構各部分的能量吸收以及結構的變形機理。結果表明: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度明顯增大，夾芯板的塑性區(qū)域將首先在中心承載區(qū)形成并逐漸向邊界處移動，夾芯板承載區(qū)域將更容易出現(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，當芯層達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)歷子彈和彈托達到共同速度時的加速撞擊過程，當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，有可能對結構產(chǎn)生進一步的損傷。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度密切相關，較小的載荷下結構不能充分發(fā)揮能量吸收能力，而較強的載荷下結構則不能充分吸收載荷的能量而失去應有的保護作用，因此在設計中需要充分考慮夾芯結構服役環(huán)境的載荷條件。
　　 利用AUTODYN對強動載作用下典型的泡沫鋁夾芯板的運動模式進行了分析，對Fleck模型中的耦合問題進行了研究，考察了泡沫子彈撞擊載荷作用下結構的運動過程。結果表明:Fleck模型對于近場的柱狀炸藥起爆，有可能較低（弱沖擊波或者強度