铝基复合泡沫填充圆柱壳静力及爆炸冲击性能研究
发布时间：2021-08-27 14:31
爆炸对周围物体产生的作用可看成一种强动力瞬时荷载,虽然只是一种偶然荷载,但一旦发生爆炸,必将对临近建筑产生比较严重的后果,如何采用有效的工程防护技术措施,避免爆炸冲击作用带来的严重危害,成为当前土木工程防灾领域研究的热点之一。传统工程结构抗爆抗冲击多采用提高混凝土强度、增大结构构件尺寸以及提高工程结构抗力等手段,近年来,以泡沫铝为代表的轻质吸能材料得到迅速发展,凭借其优异的力学性能和能量吸收特性,成为抗爆结构的辅助材料而备受关注。本文针对一种高性能的铝基复合泡沫材料,将其与薄壁金属管材结合,制备成泡沫金属填充或夹芯圆管结构,用于多种抗爆抗冲击应用领域。首先,以三种具有不同空心球粒径（150μm、200μm和300μm）的铝基复合泡沫为研究对象,试验研究其在准静态轴心压缩作用下的力学和吸能性能;然后,将铝基复合泡沫与薄壁铝管结合在一起,制成铝基复合泡沫填充铝管结构,利用万能材料试验机进行单轴压缩性能试验,考察其变形失效与破坏形态;最后,利用非线性显示动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对铝基复合泡沫夹芯圆柱壳进行爆炸作用下的数值模拟,分析夹芯圆柱壳的抗爆性能。具体研究内容如下:（1...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泡沫铝受压时应力-应变曲线[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-应力逐渐增大，能量吸收能力越高，并且可以通过选择合适的微球的形态和含量，调节材料的强度和能量吸收能力。在单轴压缩下，金属泡沫会在局部发生破坏，导致变形局部化，局部破坏、崩塌后局部致密化增加了局部流动应力，进而使变形扩散到邻近区域，进而导致整个破坏，而添加的陶瓷微球可以增加破碎所需的应力，进而增强金属泡沫的强度，但也同时降低了抗压延性。图1-2铝基复合泡沫的设计思路[16]图1-3铝基复合泡沫与普通泡沫铝应力-应变曲线对比图[20,62]Daoud等[22]通过在A359中添加Al2O3颗粒制成A359-Al2O3铝基复合泡沫材料，通过调整Al2O3含量来观察Al2O3对复合泡沫材料的影响，并与未添加Al2O3的A359泡沫进行了对比。研究表明：Al2O3含量在10%时，复合泡沫材料的吸能能力和未添加Al2O3时的普通泡沫铝基本上是一样的，但随着Al2O3含量的增加，01020304050607080900.00.10.20.30.40.50.60.780μm复合泡沫铝150μm复合泡沫铝普通泡沫铝Stress(MPa)Strain
＞抖愿春喜牧系牧ρ?阅艿挠跋毂冉洗螅?梢酝ü?髡?招那蛄＞洞?小来获得不同属性的复合材料。丁珂[33]从微细观上对铝基复合泡沫进行了破坏机理分析，如图1-4是准静态压缩变形为50%时，300μm铝基复合泡沫试件内部空心球的微观破坏形态，其中图c是空心球被压碎与未被压碎的过渡区域，此区域边界线（图中红线）附近的空心球主要破坏形态是剪切破坏。研究表明：在准静态轴向压缩荷载下，铝基复合泡沫内部空心微球通过挤压、剪切产生较大的塑性变形，在此过程中吸收大量能量，因此铝基复合泡沫能够表现出较高的吸能能力。图1-4300μm粒径铝基复合泡沫试件在准静态压缩下微观破坏形态王永刚等[34]通过爆炸试验和数值模拟验证了泡沫铝的粘性效应，正是泡沫铝的粘性效应，使冲击波的波幅在传播过程中随着传播距离的增大而出现衰减与弥散。另外，追赶卸载也会进一步促进冲击波的衰减。1.2.2泡沫铝填充结构国内外研究现状薄壁金属管，一种比较常见的吸能元件，由于易发生屈曲失稳而导致它的力学及吸能性能常常不能充分发挥，而泡沫铝具有良好的缓冲吸能能力可以有效地降低冲击荷载，但其自身强度比较低，无法作为单独结构或者构件，一些学者尝试将泡沫铝与金属薄壁管结合到一起制成泡沫铝填充管来改善两者的力学及吸能性能，并开展了一系列关于泡沫铝填充管的研究。Seitzberger等[35,36]对泡沫铝填充管进行了准静态轴向压缩性能试验，研究表明：泡沫铝不仅改变了薄壁金属管的变形失效模式，使平均压缩荷载更平稳，而且大大提高了填充管的吸能能力和承载能力。Duarte等[42]对泡沫铝填充管在单轴压缩荷载作用下的变形模式进行了研究，研究发现在泡沫铝填充管变形过程中，泡沫铝阻止了薄壁管向内屈曲变形，使泡沫铝填充管的吸能过程更加稳定。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究[J]. 郭雨晨,赵桂平. 航空工程进展. 2019(01)
[2]泡沫铝填充金属薄壁圆管的实验和理论研究[J]. 刘志芳,黄志超,路国运,秦庆华. 固体力学学报. 2017(01)
[3]钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能研究[J]. 夏志成,王曦浩,赵跃堂,龚华栋,孔新立. 振动与冲击. 2017(02)
[4]薄壁金属管在中高速冲击下的缓冲特性研究[J]. 吴鸿超,梁增友,冯阳,陈智刚,邓德志. 应用力学学报. 2016(02)
[5]水中爆炸载荷下夹芯圆柱壳的结构优化[J]. 王家维,田晓耕. 固体力学学报. 2015(S1)
[6]泡沫铝经验型动态本构模型及其在LS-DYNA中的实现[J]. 胡永乐,王峰超,胡时胜. 兵工学报. 2014(S2)
[7]钢质圆柱壳在侧向爆炸荷载下的动力响应[J]. 纪冲,徐全军,万文乾,高福银,宋克健. 爆炸与冲击. 2014(02)
[8]空心微珠/Al复合材料的动态压缩力学性能和吸能特性[J]. 张博一,王伟,武高辉. 爆炸与冲击. 2014(01)
[9]壁厚对泡沫铝填充钢管的抗爆性能数值模拟研究[J]. 李顺波,杨军,夏晨曦. 应用基础与工程科学学报. 2012(06)
[10]泡沫铝夹芯圆筒抗爆性能研究[J]. 刘新让,田晓耕,卢天健,梁斌,王伊卿. 振动与冲击. 2012(23)
博士论文
[1]强冲击载荷作用下多孔钛动态力学行为研究[D]. 王婧.北京理工大学 2017
[2]空心球/Al微孔材料的压缩变形行为和吸能性能研究[D]. 邹林池.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]铝基复合泡沫填充圆管抗剪及抗冲击力学性能研究[D]. 王理.哈尔滨工业大学 2018
[2]冲击作用下铝基复合泡沫填充管动态力学及吸能性能研究[D]. 丁珂.哈尔滨工业大学 2017
[3]铝基复合泡沫填充圆钢管静态力学及吸能性能研究[D]. 李硕.哈尔滨工业大学 2016
[4]铝基复合材料夹层板与填充圆管力学性能研究[D]. 张兴华.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3366527
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
泡沫铝受压时应力-应变曲线[11]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-应力逐渐增大，能量吸收能力越高，并且可以通过选择合适的微球的形态和含量，调节材料的强度和能量吸收能力。在单轴压缩下，金属泡沫会在局部发生破坏，导致变形局部化，局部破坏、崩塌后局部致密化增加了局部流动应力，进而使变形扩散到邻近区域，进而导致整个破坏，而添加的陶瓷微球可以增加破碎所需的应力，进而增强金属泡沫的强度，但也同时降低了抗压延性。图1-2铝基复合泡沫的设计思路[16]图1-3铝基复合泡沫与普通泡沫铝应力-应变曲线对比图[20,62]Daoud等[22]通过在A359中添加Al2O3颗粒制成A359-Al2O3铝基复合泡沫材料，通过调整Al2O3含量来观察Al2O3对复合泡沫材料的影响，并与未添加Al2O3的A359泡沫进行了对比。研究表明：Al2O3含量在10%时，复合泡沫材料的吸能能力和未添加Al2O3时的普通泡沫铝基本上是一样的，但随着Al2O3含量的增加，01020304050607080900.00.10.20.30.40.50.60.780μm复合泡沫铝150μm复合泡沫铝普通泡沫铝Stress(MPa)Strain
＞抖愿春喜牧系牧ρ?阅艿挠跋毂冉洗螅?梢酝ü?髡?招那蛄＞洞?小来获得不同属性的复合材料。丁珂[33]从微细观上对铝基复合泡沫进行了破坏机理分析，如图1-4是准静态压缩变形为50%时，300μm铝基复合泡沫试件内部空心球的微观破坏形态，其中图c是空心球被压碎与未被压碎的过渡区域，此区域边界线（图中红线）附近的空心球主要破坏形态是剪切破坏。研究表明：在准静态轴向压缩荷载下，铝基复合泡沫内部空心微球通过挤压、剪切产生较大的塑性变形，在此过程中吸收大量能量，因此铝基复合泡沫能够表现出较高的吸能能力。图1-4300μm粒径铝基复合泡沫试件在准静态压缩下微观破坏形态王永刚等[34]通过爆炸试验和数值模拟验证了泡沫铝的粘性效应，正是泡沫铝的粘性效应，使冲击波的波幅在传播过程中随着传播距离的增大而出现衰减与弥散。另外，追赶卸载也会进一步促进冲击波的衰减。1.2.2泡沫铝填充结构国内外研究现状薄壁金属管，一种比较常见的吸能元件，由于易发生屈曲失稳而导致它的力学及吸能性能常常不能充分发挥，而泡沫铝具有良好的缓冲吸能能力可以有效地降低冲击荷载，但其自身强度比较低，无法作为单独结构或者构件，一些学者尝试将泡沫铝与金属薄壁管结合到一起制成泡沫铝填充管来改善两者的力学及吸能性能，并开展了一系列关于泡沫铝填充管的研究。Seitzberger等[35,36]对泡沫铝填充管进行了准静态轴向压缩性能试验，研究表明：泡沫铝不仅改变了薄壁金属管的变形失效模式，使平均压缩荷载更平稳，而且大大提高了填充管的吸能能力和承载能力。Duarte等[42]对泡沫铝填充管在单轴压缩荷载作用下的变形模式进行了研究，研究发现在泡沫铝填充管变形过程中，泡沫铝阻止了薄壁管向内屈曲变形，使泡沫铝填充管的吸能过程更加稳定。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔金属夹芯结构的抗爆性能研究[J]. 郭雨晨,赵桂平. 航空工程进展. 2019(01)
[2]泡沫铝填充金属薄壁圆管的实验和理论研究[J]. 刘志芳,黄志超,路国运,秦庆华. 固体力学学报. 2017(01)
[3]钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能研究[J]. 夏志成,王曦浩,赵跃堂,龚华栋,孔新立. 振动与冲击. 2017(02)
[4]薄壁金属管在中高速冲击下的缓冲特性研究[J]. 吴鸿超,梁增友,冯阳,陈智刚,邓德志. 应用力学学报. 2016(02)
[5]水中爆炸载荷下夹芯圆柱壳的结构优化[J]. 王家维,田晓耕. 固体力学学报. 2015(S1)
[6]泡沫铝经验型动态本构模型及其在LS-DYNA中的实现[J]. 胡永乐,王峰超,胡时胜. 兵工学报. 2014(S2)
[7]钢质圆柱壳在侧向爆炸荷载下的动力响应[J]. 纪冲,徐全军,万文乾,高福银,宋克健. 爆炸与冲击. 2014(02)
[8]空心微珠/Al复合材料的动态压缩力学性能和吸能特性[J]. 张博一,王伟,武高辉. 爆炸与冲击. 2014(01)
[9]壁厚对泡沫铝填充钢管的抗爆性能数值模拟研究[J]. 李顺波,杨军,夏晨曦. 应用基础与工程科学学报. 2012(06)
[10]泡沫铝夹芯圆筒抗爆性能研究[J]. 刘新让,田晓耕,卢天健,梁斌,王伊卿. 振动与冲击. 2012(23)
博士论文
[1]强冲击载荷作用下多孔钛动态力学行为研究[D]. 王婧.北京理工大学 2017
[2]空心球/Al微孔材料的压缩变形行为和吸能性能研究[D]. 邹林池.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]铝基复合泡沫填充圆管抗剪及抗冲击力学性能研究[D]. 王理.哈尔滨工业大学 2018
[2]冲击作用下铝基复合泡沫填充管动态力学及吸能性能研究[D]. 丁珂.哈尔滨工业大学 2017
[3]铝基复合泡沫填充圆钢管静态力学及吸能性能研究[D]. 李硕.哈尔滨工业大学 2016
[4]铝基复合材料夹层板与填充圆管力学性能研究[D]. 张兴华.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3366527
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