近场水下爆炸加载下水背固支多孔金属加芯板动力响应研究

论文摘要

金属夹芯板是一类具有较高比刚度和比强度的复合结构,通常由前后面板和中间芯层材料组合而成。在爆炸载荷下,夹芯板能够通过面板变形和芯层渐进压缩吸收载荷作用在结构上的能量。面板和芯层材料参数的高度可调节性,使夹芯结构能够适应不同的服役环境,因此在军事和民用工程中得到了广泛的应用,特别是在高速机车、航空航天器和军事防护工程中。随着该类结构应用范围的扩展,近年来在海洋工程中也开始得到应用。在这种新的服役环境下,系统的研究水背夹芯板在水下爆炸加载下的动态力学行为、变形失效模式和冲击波衰减机理对于夹芯结构的应用具有十分重要的意义。首先设计并制作能够实现水下爆炸加载和结构水背工况的冲击摆实验装置。为了实现夹芯结构背部与水完全接触,摆锤中部为一密封舱。通过改变密封舱内流体介质的种类（空气或水）,实现结构背部不同工况的实验要求。利用有限水域水下爆炸加载装置实现室内条件下的水下爆炸加载实验。通过一系列的实验设计对该装置在结构迎爆面上加载压力的分布规律进行了系统研究。实验结果表明,该装置能够实现室内条件下的近场水下爆炸加载实验,并得到较好的重复性。蜂窝铝夹芯板抗爆炸荷载的变形能力和冲击波衰减性能力由结构的整体配置决定。通过设计实验,系统的研究了夹芯板设计参数对结构最终挠度变形和次生冲击波强度的影响规律。使用轮廓扫描装置,对变形后前后面板和芯层的上下表面进行测量。蜂窝铝芯层压缩率在径向的分布规律和芯层的体积压缩率（体积应变）通过对扫描结果的进一步计算得到。实际应用中,结构后侧往往为被保护目标,因此结构对水下爆炸冲击波动衰减能力不可忽略。结构后侧一定距离处的冲击波压力时程曲线通过压力传感器进行测量,用于衡量夹芯结构对水下爆炸冲击波的衰减能力。次生冲击波在时间尺度上分为三部分,其中第一部分为透射冲击波,其强度为衡量结构冲击波衰减性能的主要参数,第二部分为透射波到达结构后侧有限水舱壁面后产生的反射波在背部水域轴线的汇聚。结果显示透射冲击波强度与芯层密度成正比,与面板厚度和芯层厚度成反比。相比芯层厚度,芯层密度和面板厚度对透射波强度的影响更明显。也就是说使用厚面板和低密度芯层能够大幅降低透射波的强度。夹芯结构背板的最终塑性变形较小,因此前面板的最终变形、芯层的压缩率分布特征和体积应变是衡量水背夹芯板抗水下爆炸变形能力的主要参数。对于相同芯层高度的夹芯板,当面板较薄时,结构前面板的最终变形在一定的环形区域内会呈现出与加载方向相反的塑性变形（凸起变形）,因此其表现为复杂的混合变形模式。此外,在这种配置下,芯层变形表现出三种特征:Ⅰ、中心一定范围内表现为整体密实化;Ⅱ、在靠近固支边界区域出现剪切失效,Ⅲ、芯层体积应变较大。通过使用较厚的面板或屈服强度较大的芯层,能够简化前面板的变形模式,而对于芯层,这种改变能够降低压实区域的面积或中心点的压缩率。因此通过提高芯层的屈服强度和面板的厚度能够在降低芯层的体积应变和前面板中心点的挠度,但改变范围有限。当芯层中心区域表现为部分压缩时,前面板中心点的挠度随面板厚度和芯层密度增加而降低:当芯层中心区域为完全压实时,对于面板厚度较薄和芯层密度较低的夹芯板,由于凸起变形的存在,其前面板中心点表现出较小的挠度。芯层厚度是另一关键设计参数,在夹芯结构具有相同面板时,提高芯层的高度能够大幅降低芯层在中心点的压缩率和芯层整体的体积应变,同时前面板的挠度变形也会有所增加。但当芯层达到一定厚度,芯层中心区域为部分压缩,同时前面板挠度达到该加载强度下的最大值。对于一个设计优秀的结构,动态荷载能量能够通过结构自身的塑性变形进行耗散,这种塑性变形包括面板的挠度变形和芯层的渐进压缩变形,结构整体在保证芯层完全密实化前能够耗散全部荷载能量并将透射冲击波强度降低至可接受范围内。通过对比实验研究了水下爆炸加载下夹芯结构的变形破坏模式。水下爆炸加载下,空背固支夹芯结构的背板表现出整体大挠度变形,前面板表现出相同趋势的球冠状变形模式。水背固支夹芯结构背板的挠度变形较小,相较于前面板和空背夹芯结构的背板,其最终的塑性变形可以忽略。芯层变形为整体压实失效时,前面板的最大挠度变形与结构芯层厚度相近。对于空背结构,随着水下爆炸强度的增加,空背夹芯结构的前后面板挠度都会增加,但背板在固支边界附近表现为剪切破坏。同样变化条件下,蜂窝铝芯层的压缩程度在中心区域有所增加,但在固支边界处的增加更为明显。而受水的约束,水背固支板在水下爆炸强度增加时,背板挠度无明显变化,且无破坏出现。芯层中心区域压缩率和芯层整体的体积应变与载荷强度成正比,并且体积应变表现出明显的上限。由此可知,水下爆炸加载下,背部介质的种类会影响结构的毁伤机理。空背结构整体表现为大挠度变形,并随爆炸加载强度增加而产生剪切破坏。而水背结构,由于水的支撑作用,整体为前面板挠度变形和芯层在中心区域的压缩为主。这种变形失效机理既能充分利用芯层来吸收载荷能量,也可以提高结构抗破坏能力。基于文中的实验结果,利用LS-DYNA对水背夹芯结构在水下爆炸加载下的动力学响应进行了数值模拟研究。对比数值模拟和实验中结构的最终变形和结构后侧冲击波压力时程曲线,有限元模型取得了较好的模拟结果。基于空背结构在爆炸加载下的动态响应模型,初步建立的水背结构的动态响应模型。在水背工况下夹芯结构的动力学模型共分为三个阶段;Ⅰ、与空背工况相同为入射冲击波与前面板的相互作用,前面板被加速并向后压缩芯层结构,除此之外,结构后侧产生一定强度的透射波;Ⅱ、芯层压缩,在此阶段,夹芯结构前面板向后运动压缩芯层材料,蜂窝铝在面外方向渐进压缩,使前面板减速,由于结构后侧水的存在,在一定时间内背板为准静止状态;Ⅲ、结构整体与结构后侧水域的相互作用,在结构运动的作用下,与结构后侧接触的水被压缩和流动,并产生一定强度的扰动。利用LS-DYNA对具有相同面密度的不同参数配置的夹芯板进行数值模拟,研究其变形过程中的能量耗散规律。模拟结果显示水背结构在能量耗散过程中主要依靠前面板变形和芯层的压缩。并进一步提出优化升级方案,验证模拟结果显示优化设计方案中使用低密度芯层和较厚的前面板能够提高夹芯结构整体抗爆炸变形能力和冲击波衰减能力,并在本文中的模拟爆炸强度下仍保持一定的冗余强度,即结构能够承受更大强度的水下爆炸载荷。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 引言

1.2 多孔金属材料

1.2.1 金属蜂窝材料力学性能

1.2.2 泡沫金属材料力学性能

1.3 材料与结构动态加载实验技术

1.4 夹芯结构动态力学行为研究现状

1.4.1 多孔金属梁的力学行为

1.4.2 多孔金属板动态力学行为

1.4.3 多孔金属板壳爆炸加载下的力学行为

1.4.4 水背结构动态加载下的力学行为

1.5 本文主要内容

参考文献

第2章弹道冲击摆实验系统

2.1 垂直实验装置

2.1.1 实验装置

2.1.2 主要问题

2.1.3 解决方法

2.2 水下爆炸弹道冲击摆实验系统

2.2.1 安全防护舱

2.2.2 弹道冲击摆

2.2.3 测量及记录系统

2.3 加载冲击波波阵面特征

2.4 本章小结

参考文献

第3章水背固支蜂窝铝夹芯板水下爆炸实验研究

3.1 实验样本及实验装置

3.1.1 实验样本

3.1.2 实验装置设置

3.2 实验结果

3.2.1 量化实验结果

3.2.2 变形失效模式

3.3 关键参数影响

3.3.1 面板参数影响

3.3.2 芯层参数影响

3.4 夹芯结构失效模式

3.5 水背夹芯结构与实心板对比

3.6 本章小结

参考文献

第4章水下爆炸载荷下夹芯板的毁伤机理

4.1 实验样本及装置

4.1.1 实验样本设计

4.1.2 实验装置设置

4.2 实验结果

4.2.1 次生冲击波测量

4.2.2 变形失效模式

4.3 不同工况下样本毁伤对比

4.3.1 实心板对比

4.3.2 夹芯结构对比

4.4 冲击波衰减机理

4.5 水背固支夹芯板的变形失效机理

4.5.1 中心区域失效机理

4.5.2 固支边界区域失效机理

4.6 本章小结

参考文献

第5章爆炸载荷下水背夹芯板动态响应过程

5.1 有限元模型

5.1.1 有限水域爆炸加载模型

5.1.2 夹芯结构模型

5.1.3 材料模型

5.2 计算方法

5.3 计算结果

5.3.1 水下爆炸过程

5.3.2 冲击波加载过程

5.3.3 结构响应过程

5.3.4 实验结果与模拟结果对比

5.4 爆炸加载下空背夹芯结构动态响应基本过程

5.5 水背工况下夹芯结构的动态响应过程

5.5.1 第一阶段:冲击波加载与透射冲击波产生

5.5.2 第二阶段:前面板减速与芯层渐进压缩

5.5.3 第三阶段:结构运动与背部水域相互作用

5.6 边界条件影响

5.6.1 边界条件设置

5.6.2 计算结果与分析

5.7 本章小结

参考文献

第6章蜂窝铝夹芯板参数优化设计

6.1 背后介质对结构能量耗散分布的影响

6.2 计算模型参数设置

6.2.1 面板厚度非对称设置

6.2.2 芯层密度

6.2.3 梯度密度芯层

6.3 计算方法与结果分析

6.3.1 面板参数影响

6.3.2 芯层密度

6.3.3 梯度密度芯层

6.4 夹芯结构参数优化

6.4.1 结构优化设计

6.4.2 优化方案模拟结果及分析

6.5 本章小结

参考文献

第7章全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 存在问题及工作展望

致谢

在读期间发表学术论文及其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 任丽杰

导师: 沈兆武,马宏昊

关键词: 水背结构,多孔金属夹芯板,失效机理,动力响应过程,结构优化

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 中国科学技术大学

分类号: TB301

总页数: 140

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