空中爆炸载荷下高强聚乙烯与泡沫铝复合夹层板失效机理研究
发布时间：2021-01-07 09:28
在海战中,反舰武器爆炸形成的冲击波和高速破片对舰船结构构成了严重威胁。轻质泡沫铝夹层结构因其芯层所具有的连续多孔吸能结构,呈现出了优异的抗冲击波性能,但其抗侵彻能力较弱。而高强聚乙烯复合材料的高强度比和高模量比使其具有优异的抗侵彻性能。将高强聚乙烯复合材料引入轻质泡沫铝夹层结构中构成高强聚乙烯/泡沫铝复合夹层结构。研究这种新型夹层结构在空中爆炸冲击波作用以及冲击波与破片联合作用下的失效机理具有重要的学术和应用价值。本文主要工作如下:（1）对高强聚乙烯与泡沫铝复合夹层板在空爆载荷下的动态力学行为进行了实验研究。研究了10个复合夹层板实验模型在空爆载荷下的变形及破坏模式,探讨了芯层材料、芯层材料密度和芯层排列对复合夹层板抗爆能力的影响。结果表明,在面密度相等的情况下,不同芯层配置对夹层板抗爆性能的影响不同。其中,芯层都为泡沫铝且密度从上面板到下面板依次增大的夹层板具有更好的抗爆性能。（2）利用有限元软件AUTODYN对高强聚乙烯与泡沫铝复合夹层板在空爆载荷下的动态响应开展数值模拟,研究了爆炸冲击波的加载过程和夹层板的动态响应过程,分析了不同参数对结构耦合面压力、面板中心点速度和能量耗散的影...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
遭受攻击前后的天安舰夹层结构（Sandwichstructure）作为一种新型结构，因其轻质、高比强度、高比
泡沫芯层以及面板的失效模式进行了识别和讨论，同时也对三种密度和厚度的同质量四种结构的抗爆性和能量吸收性能进行了比较研究。除夹芯平板外，学者们还对各种曲面夹芯结构进行了研究，发现结构形式的改变对夹芯板的变形和破坏模式有一定的影响。Li 等[20]通过数值模拟方式对在外部空爆载荷作用下泡沫铝金属夹层球壳的动态响应进行了分析。结果表明，夹层球壳在抵抗爆炸载荷方面比圆柱形夹层壳体表现更好；通过减小曲率半径，增加泡沫芯层厚度，抗爆性能会明显提高；同时保持前后面板厚度总和不变的情况下，增加前面板厚度会提高防爆性能。Karagiozova 等[21]运用实验、数值和理论多种方式对在内部爆炸载荷作用下以聚苯乙烯泡沫为芯层的金属夹层圆柱壳的动态响应进行了分析，研究发现，在理论计算时，流固耦合作用不能忽略；同时与等质量的单层圆柱壳相比，低密度泡沫芯层夹层圆柱壳拥有更好的抗爆性能，而高密度泡沫芯层夹层圆柱壳的抗爆性能较差。通过有限元软件 LS-DYNA，Liu 等研究了在爆炸载荷下泡沫铝梯度夹层圆柱壳[22]和方板[23]的动力响应（如图 1.2）。研究发现，通过将芯层设置为从内到外密度梯度下降的泡沫铝材料，能够进一步提升夹芯结构的抗爆炸冲击波性能。
和冲击波和破片联合作用各自对舰船舱室的动力学行为，结果发现裸装炸药载荷主要引起舱室结构膨胀变形和角隅撕裂，但是由于高速破片的穿孔效应，在破片集中区会因为穿孔边界应力集中形成撕裂破口，导致舱室的变形和毁坏更严重（如图1.3）。同时，对夹层结构在冲击波和破片联合作用下的毁伤机理也进行了研究[59]，得出了类似的结论。图 1.3 (a)裸装炸药和(b)带壳战斗部爆炸下舱室结构的破坏模式[58]张成亮等[60]对以玻璃钢为夹芯的夹层结构抗冲击波与破片联合毁伤性能进行了实验研究，研究发现联合作用对夹层板的毁伤效能远大于冲击波的单独作用，在两种载荷下夹层板的变形模式具有较大差异，冲击波单独作用时，夹层板面板主要表现为褶皱变形，芯层表现为分层破坏和脱落。但在联合作用下，前面板会出现中部大破口，后面板出现大变形和花瓣开裂，玻璃钢夹芯板出现大的穿甲破口和分层破坏（如图 1.4）。李茂等[61]运用数值仿真研究了固支方板抗冲击波和破片联合作用性能，分析了破片在炸药下的运动过程和方板在联合作用下的变形破坏模式，结果发现
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲击波和高速破片联合作用下固支方板毁伤效应数值模拟[J]. 李茂,朱锡,侯海量,李典,陈长海,郑红伟,徐伟. 国防科技大学学报. 2017(06)
[2]爆炸冲击波和破片联合作用下玻璃纤维夹芯复合结构毁伤特性实验研究[J]. 李典,侯海量,戴文喜,朱锡,李茂,陈长海. 兵工学报. 2017(05)
[3]近距爆炸破片作用下芳纶纤维夹芯复合舱壁结构毁伤特性实验研究[J]. 李典,朱锡,侯海量,李茂,陈长海. 兵工学报. 2016(08)
[4]冲击波和高速破片对固支方板的联合作用数值模拟[J]. 李茂,朱锡,侯海量,陈长海,李典,胡年明. 中国舰船研究. 2015(06)
[5]超高分子量聚乙烯纤维增强层合厚板抗高速钝头弹侵彻的理论模型[J]. 陈长海,徐文献,朱锡,侯海量. 中国舰船研究. 2015(03)
[6]UHMWPE纤维织物复合靶板抗弹性能研究[J]. 高恒,杨宏伟,杜建华. 装甲兵工程学院学报. 2014(05)
[7]爆炸冲击波与高速破片对夹层结构的联合毁伤效应试验研究[J]. 张成亮,朱锡,侯海量,陈长海. 振动与冲击. 2014(15)
[8]破片和冲击波复合作用下靶板毁伤仿真[J]. 姚志敏,雷灏,尉广军,姜勉. 火力与指挥控制. 2014(07)
[9]弹体侵彻UHMWPE软质纤维层的数值仿真研究[J]. 黄拱武,陈爱军,罗少敏,刘艳. 计算机仿真. 2013(10)
[10]Kevlar纤维层合板抗弹性能的数值模拟[J]. 王云聪,何煌,曾首义. 四川兵工学报. 2011(03)
博士论文
[1]爆炸载荷及复合多层防护结构响应特性研究[D]. 孔祥韶.武汉理工大学 2013
[2]强动载荷作用下泡沫金属夹芯壳结构的动力学行为及其失效机理研究[D]. 敬霖.太原理工大学 2012
硕士论文
[1]夹芯板双层舱壁结构抗冲击毁伤特性研究[D]. 李舒.江苏科技大学 2017
[2]冲击载荷作用下固支夹芯圆板的力学行为研究[D]. 张培文.太原理工大学 2013
[3]破片和冲击波对直升机结构联合作用的数值模拟研究[D]. 刘刚.南京理工大学 2013
[4]非接触爆炸冲击波作用下船体结构响应研究[D]. 吴迪.上海交通大学 2007
[5]高速侵彻体与水下爆炸波对舰舷结构的联合作用研究[D]. 吕锦锋.南京理工大学 2005
本文编号：2962311
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
遭受攻击前后的天安舰夹层结构（Sandwichstructure）作为一种新型结构，因其轻质、高比强度、高比
泡沫芯层以及面板的失效模式进行了识别和讨论，同时也对三种密度和厚度的同质量四种结构的抗爆性和能量吸收性能进行了比较研究。除夹芯平板外，学者们还对各种曲面夹芯结构进行了研究，发现结构形式的改变对夹芯板的变形和破坏模式有一定的影响。Li 等[20]通过数值模拟方式对在外部空爆载荷作用下泡沫铝金属夹层球壳的动态响应进行了分析。结果表明，夹层球壳在抵抗爆炸载荷方面比圆柱形夹层壳体表现更好；通过减小曲率半径，增加泡沫芯层厚度，抗爆性能会明显提高；同时保持前后面板厚度总和不变的情况下，增加前面板厚度会提高防爆性能。Karagiozova 等[21]运用实验、数值和理论多种方式对在内部爆炸载荷作用下以聚苯乙烯泡沫为芯层的金属夹层圆柱壳的动态响应进行了分析，研究发现，在理论计算时，流固耦合作用不能忽略；同时与等质量的单层圆柱壳相比，低密度泡沫芯层夹层圆柱壳拥有更好的抗爆性能，而高密度泡沫芯层夹层圆柱壳的抗爆性能较差。通过有限元软件 LS-DYNA，Liu 等研究了在爆炸载荷下泡沫铝梯度夹层圆柱壳[22]和方板[23]的动力响应（如图 1.2）。研究发现，通过将芯层设置为从内到外密度梯度下降的泡沫铝材料，能够进一步提升夹芯结构的抗爆炸冲击波性能。
和冲击波和破片联合作用各自对舰船舱室的动力学行为，结果发现裸装炸药载荷主要引起舱室结构膨胀变形和角隅撕裂，但是由于高速破片的穿孔效应，在破片集中区会因为穿孔边界应力集中形成撕裂破口，导致舱室的变形和毁坏更严重（如图1.3）。同时，对夹层结构在冲击波和破片联合作用下的毁伤机理也进行了研究[59]，得出了类似的结论。图 1.3 (a)裸装炸药和(b)带壳战斗部爆炸下舱室结构的破坏模式[58]张成亮等[60]对以玻璃钢为夹芯的夹层结构抗冲击波与破片联合毁伤性能进行了实验研究，研究发现联合作用对夹层板的毁伤效能远大于冲击波的单独作用，在两种载荷下夹层板的变形模式具有较大差异，冲击波单独作用时，夹层板面板主要表现为褶皱变形，芯层表现为分层破坏和脱落。但在联合作用下，前面板会出现中部大破口，后面板出现大变形和花瓣开裂，玻璃钢夹芯板出现大的穿甲破口和分层破坏（如图 1.4）。李茂等[61]运用数值仿真研究了固支方板抗冲击波和破片联合作用性能，分析了破片在炸药下的运动过程和方板在联合作用下的变形破坏模式，结果发现
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲击波和高速破片联合作用下固支方板毁伤效应数值模拟[J]. 李茂,朱锡,侯海量,李典,陈长海,郑红伟,徐伟. 国防科技大学学报. 2017(06)
[2]爆炸冲击波和破片联合作用下玻璃纤维夹芯复合结构毁伤特性实验研究[J]. 李典,侯海量,戴文喜,朱锡,李茂,陈长海. 兵工学报. 2017(05)
[3]近距爆炸破片作用下芳纶纤维夹芯复合舱壁结构毁伤特性实验研究[J]. 李典,朱锡,侯海量,李茂,陈长海. 兵工学报. 2016(08)
[4]冲击波和高速破片对固支方板的联合作用数值模拟[J]. 李茂,朱锡,侯海量,陈长海,李典,胡年明. 中国舰船研究. 2015(06)
[5]超高分子量聚乙烯纤维增强层合厚板抗高速钝头弹侵彻的理论模型[J]. 陈长海,徐文献,朱锡,侯海量. 中国舰船研究. 2015(03)
[6]UHMWPE纤维织物复合靶板抗弹性能研究[J]. 高恒,杨宏伟,杜建华. 装甲兵工程学院学报. 2014(05)
[7]爆炸冲击波与高速破片对夹层结构的联合毁伤效应试验研究[J]. 张成亮,朱锡,侯海量,陈长海. 振动与冲击. 2014(15)
[8]破片和冲击波复合作用下靶板毁伤仿真[J]. 姚志敏,雷灏,尉广军,姜勉. 火力与指挥控制. 2014(07)
[9]弹体侵彻UHMWPE软质纤维层的数值仿真研究[J]. 黄拱武,陈爱军,罗少敏,刘艳. 计算机仿真. 2013(10)
[10]Kevlar纤维层合板抗弹性能的数值模拟[J]. 王云聪,何煌,曾首义. 四川兵工学报. 2011(03)
博士论文
[1]爆炸载荷及复合多层防护结构响应特性研究[D]. 孔祥韶.武汉理工大学 2013
[2]强动载荷作用下泡沫金属夹芯壳结构的动力学行为及其失效机理研究[D]. 敬霖.太原理工大学 2012
硕士论文
[1]夹芯板双层舱壁结构抗冲击毁伤特性研究[D]. 李舒.江苏科技大学 2017
[2]冲击载荷作用下固支夹芯圆板的力学行为研究[D]. 张培文.太原理工大学 2013
[3]破片和冲击波对直升机结构联合作用的数值模拟研究[D]. 刘刚.南京理工大学 2013
[4]非接触爆炸冲击波作用下船体结构响应研究[D]. 吴迪.上海交通大学 2007
[5]高速侵彻体与水下爆炸波对舰舷结构的联合作用研究[D]. 吕锦锋.南京理工大学 2005
本文编号：2962311
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