近场/接触爆炸载荷下PVC泡沫夹芯结构动态响应和失效机理研究
发布时间：2021-11-28 07:12
由金属材料面板和多孔材料芯层组成的泡沫夹芯结构具有高比强度、高比刚度的特点,同时具有良好的吸能特性,目前被广泛应用于航空航天、建筑、车辆和船舶等领域。传统非梯度泡沫夹芯结构的芯层通常用均匀材质制备,而通过对夹芯结构的芯层沿厚度方向的密度分布进行设计,可以得到新型的功能梯度夹芯结构。目前,学术界已对非梯度和功能梯度夹芯结构在准静态、撞击和中远场（空中和水下）爆炸载荷作用下的力学行为开展了比较广泛的研究,然而在空中近场爆炸载荷下的相关研究开展并不多,特别是针对水下接触爆炸载荷下的研究很少。因此,系统地开展相关的实验、数值以及理论研究,弄清其失效机理具有非常重要的意义和价值。本文的主要研究工作包括:（1）以非梯度/梯度聚氯乙烯（PVC）泡沫矩形夹芯板为研究对象,对其在空中近场爆炸载荷作用下的失效机理进行了实验研究。开展了9个非梯度夹芯板实验和3个功能梯度夹芯板实验,并基于电子显微镜技术,得到了夹芯板芯层材料的微观失效特征。结果表明在爆炸载荷下,夹芯板的变形/失效模式包括上面板的局部变形、下面板的整体变形、芯层整体的压缩变形和裂纹失效、芯层胞元结构的微观压溃失效以及面板与芯层间的脱层失效。继而...
【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】：229 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
舰艇在MK46型水雷攻击下的毁伤过程[3]
华中科技大学博士学位论文4图1.3具有不同芯层形式的夹芯板多孔材料根据其基体材料属性的不同，又可以细分为金属泡沫材料和聚合物发泡材料，而在抗冲击领域中使用较多的金属泡沫材料为泡沫铝。Liu等[29]研究了空中爆炸载荷下泡沫铝夹芯板的响应特性，并通过布置于芯层与面板间的压力传感器，监控了爆炸载荷作用下芯层与面板间的载荷传递情况。研究结果表明，泡沫芯层可以有效衰减冲击波强度，从而缓解爆炸载荷对结构的损伤。Zhu等[30]结合实验与数值方法，研究了泡沫铝夹芯板抵御空中爆炸载荷的能力，并从变形和能量的角度讨论了芯层厚度、炸药当量、面板厚度及芯层密度对夹芯板抗爆性能的影响。结果表明芯层可以通过自身变形吸收大量的冲击波能量，从而减少下面板的变形。秦庆华等[31]基于该实验结果验证了其建立的数值仿真模型的准确性，继而通过数值方法，对比分析了夹芯曲板、夹芯平板、实体曲板和实体平板的抗爆性能。研究结果表明泡沫夹芯板的抗爆性能优于等质量的实体板，并且增大夹芯板的曲率可以减少作用于夹芯板上的载荷冲量，从而提高夹芯板的抗爆性能。Li等[32]通过数值方法研究了空中爆炸载荷下球形泡沫铝夹芯壳的响应，发现减小球壳的半径，以及增加上、下面板和芯层厚度均可以提高夹芯壳的抗爆性能。Langdon等[33]通过实验和数值方法研究了空中爆炸载荷下泡沫铝夹芯板的失效机理以及芯层的破坏模式。结果表明增加上面板厚度可以使得芯层的压缩更为均匀。芯层的撕裂破坏主要发生在夹芯板的卸载过程中，而芯层与面板的连接也会恶化芯层的撕裂破坏。Qi等[34]通过对空中爆炸载荷下泡沫
华中科技大学博士学位论文6层板芯层的孔隙中，形成杂交夹层板(见图1.4)。该种芯层设计可以利用泡沫材料为波纹芯层提供额外的支撑作用[47,48]，同时利用泡沫材料自身的压缩变形，提高了夹芯板的吸能效率。此外，芯层采用不同材料铺叠制成的多层复合夹芯板(见图1.5)，充分综合互补了不同材质的力学性能，例如将陶瓷插入上面板与泡沫芯层之间可以有效地缓解面板及面板与芯层之间的脱层失效，以及泡沫芯层的局部变形[49]；将材质较硬的聚氨酯(PUR)或者PVC铺层插入泡沫芯层与上面板之间可以有效保护芯层并降低夹芯板的整体变形大小[50]。而Zhou等[51,52]则采用碳纤维杆对泡沫芯层进行加强，从而提高芯层的综合性能。图1.4泡沫铝波纹杂交夹芯板[48]图1.5多层复合夹芯板[49]图1.6炭纤维杆加强泡沫[51]
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述[J]. 金键,朱锡,侯海量,陈鹏宇,吴林杰. 水下无人系统学报. 2017(06)
[2]轻质金属泡沫夹芯曲板的抗爆炸冲击响应研究[J]. 秦庆华,张建勋,艾伟龙,王铁军. 固体力学学报. 2017(05)
[3]六层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的冲击实验[J]. 张振华,牛闯,钱海峰,王媛欣. 中国舰船研究. 2016(04)
[4]聚氨酯/钢夹芯结构爆炸载荷下动力学响应的数值模拟[J]. 邹广平,孙杭其,唱忠良,熊海林. 爆炸与冲击. 2015(06)
[5]泡沫金属子弹撞击载荷下多孔金属夹芯板的动态响应[J]. 敬霖,王志华,宋延泽,赵隆茂. 振动与冲击. 2011(12)
[6]水下爆炸载荷作用下加筋板的毁伤模式[J]. 朱锡,牟金磊,王恒,张振华. 爆炸与冲击. 2010(03)
[7]水下爆炸载荷作用下加筋板变形及开裂试验研究[J]. 牟金磊,朱锡,张振华,李海涛,黄晓明. 振动与冲击. 2008(01)
[8]刚塑性板在柱状炸药接触爆炸载荷作用下的花瓣开裂研究[J]. 张振华,朱锡. 船舶力学. 2004(05)
[9]船体板架在水下接触爆炸作用下的破口试验[J]. 朱锡,白雪飞,黄若波,刘润泉,赵耀. 中国造船. 2003(01)
[10]舰船单元结构模型水下接触爆炸破口试验研究[J]. 刘润泉,白雪飞,朱锡. 海军工程大学学报. 2001(05)
博士论文
[1]内部爆炸载荷下梯度泡沫夹芯圆筒动态响应及其抗爆性能多目标优化[D]. 梁民族.国防科学技术大学 2017
[2]水下爆炸下舰艇典型结构塑性损伤研究[D]. 杨棣.哈尔滨工程大学 2015
[3]分层梯度多孔金属夹芯结构的冲击力学行为[D]. 李世强.太原理工大学 2015
[4]空中近场爆炸载荷下夹层板结构的动力学行为及其失效机理研究[D]. 张攀.华中科技大学 2014
[5]强动载荷作用下多孔金属夹芯方板的动态力学行为研究[D]. 李鑫.太原理工大学 2013
[6]泡沫材料对水下爆炸能量吸收及其冲击特性的研究[D]. 倪小军.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]水下爆炸载荷作用下的船体总强度计算方法研究[D]. 张阿漫.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3523958
【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】：229 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
舰艇在MK46型水雷攻击下的毁伤过程[3]
华中科技大学博士学位论文4图1.3具有不同芯层形式的夹芯板多孔材料根据其基体材料属性的不同，又可以细分为金属泡沫材料和聚合物发泡材料，而在抗冲击领域中使用较多的金属泡沫材料为泡沫铝。Liu等[29]研究了空中爆炸载荷下泡沫铝夹芯板的响应特性，并通过布置于芯层与面板间的压力传感器，监控了爆炸载荷作用下芯层与面板间的载荷传递情况。研究结果表明，泡沫芯层可以有效衰减冲击波强度，从而缓解爆炸载荷对结构的损伤。Zhu等[30]结合实验与数值方法，研究了泡沫铝夹芯板抵御空中爆炸载荷的能力，并从变形和能量的角度讨论了芯层厚度、炸药当量、面板厚度及芯层密度对夹芯板抗爆性能的影响。结果表明芯层可以通过自身变形吸收大量的冲击波能量，从而减少下面板的变形。秦庆华等[31]基于该实验结果验证了其建立的数值仿真模型的准确性，继而通过数值方法，对比分析了夹芯曲板、夹芯平板、实体曲板和实体平板的抗爆性能。研究结果表明泡沫夹芯板的抗爆性能优于等质量的实体板，并且增大夹芯板的曲率可以减少作用于夹芯板上的载荷冲量，从而提高夹芯板的抗爆性能。Li等[32]通过数值方法研究了空中爆炸载荷下球形泡沫铝夹芯壳的响应，发现减小球壳的半径，以及增加上、下面板和芯层厚度均可以提高夹芯壳的抗爆性能。Langdon等[33]通过实验和数值方法研究了空中爆炸载荷下泡沫铝夹芯板的失效机理以及芯层的破坏模式。结果表明增加上面板厚度可以使得芯层的压缩更为均匀。芯层的撕裂破坏主要发生在夹芯板的卸载过程中，而芯层与面板的连接也会恶化芯层的撕裂破坏。Qi等[34]通过对空中爆炸载荷下泡沫
华中科技大学博士学位论文6层板芯层的孔隙中，形成杂交夹层板(见图1.4)。该种芯层设计可以利用泡沫材料为波纹芯层提供额外的支撑作用[47,48]，同时利用泡沫材料自身的压缩变形，提高了夹芯板的吸能效率。此外，芯层采用不同材料铺叠制成的多层复合夹芯板(见图1.5)，充分综合互补了不同材质的力学性能，例如将陶瓷插入上面板与泡沫芯层之间可以有效地缓解面板及面板与芯层之间的脱层失效，以及泡沫芯层的局部变形[49]；将材质较硬的聚氨酯(PUR)或者PVC铺层插入泡沫芯层与上面板之间可以有效保护芯层并降低夹芯板的整体变形大小[50]。而Zhou等[51,52]则采用碳纤维杆对泡沫芯层进行加强，从而提高芯层的综合性能。图1.4泡沫铝波纹杂交夹芯板[48]图1.5多层复合夹芯板[49]图1.6炭纤维杆加强泡沫[51]
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述[J]. 金键,朱锡,侯海量,陈鹏宇,吴林杰. 水下无人系统学报. 2017(06)
[2]轻质金属泡沫夹芯曲板的抗爆炸冲击响应研究[J]. 秦庆华,张建勋,艾伟龙,王铁军. 固体力学学报. 2017(05)
[3]六层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的冲击实验[J]. 张振华,牛闯,钱海峰,王媛欣. 中国舰船研究. 2016(04)
[4]聚氨酯/钢夹芯结构爆炸载荷下动力学响应的数值模拟[J]. 邹广平,孙杭其,唱忠良,熊海林. 爆炸与冲击. 2015(06)
[5]泡沫金属子弹撞击载荷下多孔金属夹芯板的动态响应[J]. 敬霖,王志华,宋延泽,赵隆茂. 振动与冲击. 2011(12)
[6]水下爆炸载荷作用下加筋板的毁伤模式[J]. 朱锡,牟金磊,王恒,张振华. 爆炸与冲击. 2010(03)
[7]水下爆炸载荷作用下加筋板变形及开裂试验研究[J]. 牟金磊,朱锡,张振华,李海涛,黄晓明. 振动与冲击. 2008(01)
[8]刚塑性板在柱状炸药接触爆炸载荷作用下的花瓣开裂研究[J]. 张振华,朱锡. 船舶力学. 2004(05)
[9]船体板架在水下接触爆炸作用下的破口试验[J]. 朱锡,白雪飞,黄若波,刘润泉,赵耀. 中国造船. 2003(01)
[10]舰船单元结构模型水下接触爆炸破口试验研究[J]. 刘润泉,白雪飞,朱锡. 海军工程大学学报. 2001(05)
博士论文
[1]内部爆炸载荷下梯度泡沫夹芯圆筒动态响应及其抗爆性能多目标优化[D]. 梁民族.国防科学技术大学 2017
[2]水下爆炸下舰艇典型结构塑性损伤研究[D]. 杨棣.哈尔滨工程大学 2015
[3]分层梯度多孔金属夹芯结构的冲击力学行为[D]. 李世强.太原理工大学 2015
[4]空中近场爆炸载荷下夹层板结构的动力学行为及其失效机理研究[D]. 张攀.华中科技大学 2014
[5]强动载荷作用下多孔金属夹芯方板的动态力学行为研究[D]. 李鑫.太原理工大学 2013
[6]泡沫材料对水下爆炸能量吸收及其冲击特性的研究[D]. 倪小军.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]水下爆炸载荷作用下的船体总强度计算方法研究[D]. 张阿漫.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3523958
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