冲击载荷下多孔金属夹芯板动力响应的研究

发布时间：2020-09-30 21:07

　　在过去的数年间,恐怖袭击给社会公共安全带来了越来越大的威胁,同时随着全球工业化的不断发展,由工业、交通等造成的爆炸冲击事件也屡见不鲜。如何更有效的降低爆炸冲击给建筑、车辆、人员带来的伤害,成为各个国家、机构面临的共同挑战。为此,科研人员开始致力于研究用于防护有害冲击的防护结构。作为一种能够通过塑性变形吸收大量能量的防护结构,夹芯板复合结构由于同时具有表面材料和芯层材料的性质,克服了材料属性单一的缺陷,被得到广泛的应用。经过近些年不断的研究,常见夹芯结构力学性能的提升已经达到瓶颈阶段,为了进一步提升结构的力学性能,受到自然界中大部分的生物结构都具有多级或梯度结构的启发,本文将多级蜂窝和梯度泡沫作为研究重点,将其作为夹芯板的芯层,并研究了这些夹芯板在冲击载荷下的力学性能,主要做了以下工作:(1)根据正六角蜂窝结构,推导出多级蜂窝结构,并将其作为夹芯板芯层进行研究,建立爆炸载荷工况下多级蜂窝夹芯板的有限元模型进行计算,重点探究了多级蜂窝夹芯板中芯层结构参数、芯层密度以及芯层高度对整个夹芯板动态性能的影响。数值模拟表明,在载荷较大的时候,多级蜂窝夹芯板、芯层密度较高的夹芯板的优势明显。(2)利用实验的方法研究爆炸载荷下梯度泡沫夹芯板的动态响应。主要研究了面板材料以及芯层梯度对夹芯板防冲击性能的影响,实验表明,以钢板为面板的夹芯板的抗爆性能最好,但是其质量会比较大。芯层梯度为正梯度时,梯度越大,夹芯板的抗爆性能越好;正梯度芯层的夹芯板的抗冲击性能要优于负梯度芯层夹芯板。(3)利用子弹高速冲击的加载方式对梯度泡沫芯层夹芯板进行了实验研究以及有限元分析,结果表明,泡沫芯层夹芯板的防弹性能与面板材料有关,面板材料为钢面板的夹芯板抗爆性能最好;不同速度的子弹穿透同一个泡沫夹芯板后,由于泡沫材料具有冲击增强效应,泡沫夹芯板吸收的能量是不同的;当前后面板的总质量一定时,前面板的厚度越大,夹芯板的抗爆性能越好;子弹以相同速度不同的角度入射夹芯板时,入射角度越大,子弹穿透夹芯板后的残余速度越小;子弹的形状对于夹芯板的防护效果也有很大的影响。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

夹芯板

着全球工业化的不断发展，由工业、交通等造成的爆炸冲击事件也屡见不鲜。如何更有效的降低爆炸冲击给建筑、车辆、人员带来的伤害，成为各个国家、机构面临的共同挑战。为此，科研人员开始致力于研究用于防护爆炸产生的有害冲击的防护结构。作为一种能够通过塑性变形吸收大量能量的防护结构，夹芯板复合板具有表面材料和芯层材料的共同性质，克服了材料属性单一的缺陷，具有低密度、高比刚度、高比强度、优异的能量吸收特性、高阻尼特性、电磁屏蔽特性、隔音以及隔热性能[1-3]，成为科研人员设计防护结构时经常使用的结构。夹芯板结构是由面板以及芯层组成的，面板是由密实的实心面板制成，它可以有效提升夹芯板的抗压缩、拉伸、扭转或弯曲等力学性能[4]。芯层通常是密度比较小、易压缩、吸能效率高的多孔材料组成例如聚合物泡沫、蜂窝铝、泡沫铝、波纹板等，常见的夹芯板有泡沫铝夹芯板、蜂窝铝夹芯板、波纹板夹芯板等，如图 1.1 所示。这些结构具有低密度、高比刚度、高比强度、高吸能特性的特点，特别适合用于制作防护结构，在汽车轻量化、轨道交通、船舶、航空航天等高端设备以及防护结构、建筑领域中发挥着重要的作用，具有非常广阔的应用前景。

夹芯板,芯层,泡沫铝,梯度

冲击载荷下多孔金属夹芯板动力响应的研究角蜂窝代替每三个边的交点所形成芯层进行抗爆性能的研究。研究，近年来人们也开始对梯度结10]。梯度结构是一种材料本身的密梯度泡沫铝芯层夹芯板结构。经过性以及波耗散特性，在防护方面能芯层进行告诉冲击实验的研究。

蜂窝结构,自相似,夹芯板

图 1.3 自相似多级蜂窝结构多级蜂窝结构拥有更复杂的蜂窝结构，经过研究发现多级蜂窝具有更优学性能[5]。以多级蜂窝结构为芯层的多级蜂窝芯层夹芯板复合结构具有同窝夹芯板相同的优异性能，综合性能更为突出，主要表现在以下几个方面：(1) 相对密度小：由于夹芯板复合结构的芯层是由多级蜂窝制成的，其常轻，使得整个夹芯板复合结构的相对密度非常低，重量非常轻。(2) 比强度高、比刚度大：从力学角度分析，夹芯板复合结构和工字梁似，夹芯板的面板相当于工字梁结构的翼板，主要承受侧向应力；夹芯结于腹板，主要承受剪切应力。这种结构具有较大的截面惯性矩，使得整个强度和刚度都有显著的提高。(3) 防噪、隔热性能优异：由于蜂窝结构夹芯夹芯板芯层是多孔结构，很多密闭的空间，使得产生对流或者辐射向外扩散，只能通过芯层进行热传制了热量的散发，具有良好的隔热性能[13]。(4) 抗冲击性能优异：研究表明，蜂窝芯层夹芯板复合结构由于芯层壁

【参考文献】