爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板动力响应研究

采用自行设计的冲击摆实验系统对铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应进行了系统实验研究,给出了面板和铝蜂窝不同区域的不同变形模态,得到了不同炸药当量对铝蜂窝夹芯板动态响应的影响规律,证实了铝蜂窝夹芯板产生较大塑性变形时,比一般的结构具有更好的能量吸收特性.并利用LS-DYNA对其动力响应进行了数值仿真,考察了炸药起爆、接触界面及上表面接触力对夹芯板变形影响的全过程,得到了板中心的最终变形和芯层的变形模式,与实验结果吻合较好.     

低速冲击载荷下金属点阵夹芯板的动态响应分析

采用ANSYS/LS-DYNA商用有限元程序,首次比较了波纹夹芯板、方孔蜂窝夹芯板、三角形蜂窝夹芯板、金字塔夹芯板四种典型点阵金属夹芯板受刚性物块低速冲击时的动态行为,以考察点阵金属夹芯结构的动态响应及抗冲击性能。刚性物块的冲击速度范围取75~150m/s,对每种夹芯板选取芯体与上层面板的连接点及连接点之间的空隙两个典型位置进行了冲击模拟。经过分析得出了不同点阵夹芯板的变形机制和吸能特性。结果表明:在刚性物块的冲击过程中,密度大、强度高的面板(上层)主要发挥抗剪切作用,密度低、强度低的芯体主要是通过自身屈曲、起皱等变形消耗刚性物块的动能,抗剪切能力相对较差;在四种点阵夹芯板中,波纹夹芯板的最大挠度和变形区域都是最小的,表现出了最好的抗冲击性能。     

四边手性蜂窝动态压溃行为的数值模拟

建立了四边手性蜂窝的有限元模型,采用数值模拟方法研究了四边手性蜂窝在不同冲击速度下的变形模式和能量吸收等动力学响应特性,并同普通六边形蜂窝的冲击行为进行了对比。计算得到了这2种蜂窝的变形模式图、动力响应曲线和能量吸收曲线。模拟结果表明：低速冲击下,四边形手性蜂窝的变形模式为“Z”字形;高速冲击下,四边手性蜂窝的变形模式与普通蜂窝的“I”字形模式类似;在适中速度的冲击下,四边手性蜂窝表现出兼具高速冲击和低速冲击特征的一种过渡态变形模式;随着冲击速度的提高,局部变形带由固定端向冲击端移动,并且能量吸收能力也随之提高;在中、低速度的冲击下,能够观察到拉胀材料压缩时特有的“缩颈”现象。

     

孔结构金属复合夹芯板抗爆炸冲击响应及吸能特性研究

采用有限元方法研究爆炸载荷下四边固支孔结构金属复合夹芯板的动力响应及吸能特性,给出了孔结构金属复合夹芯板的动力响应过程,得到夹芯板的变形模式,比较了孔结构金属复合夹芯板与非孔结构金属复合夹芯板的抗爆炸冲击性能,同时讨论了孔大小、间距、排布方式和面板质量分布等因素对孔结构金属复合夹芯板抗爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,迎爆面外面板的孔设计使爆炸冲击波穿过孔洞直接作用在芯材上,增强了芯材的压缩,从而提高了夹芯板的能量吸收能力。同等面密度情况下,内外面板厚度比大于1的孔结构金属复合夹芯板变形挠度小于内外面板厚度比小于1的孔结构金属复合夹芯板。进一步研究发现,通过合理设计内外面板的质量分布,可以使孔结构金属复合夹芯板的抗爆炸冲击性能最优。     

孔结构金属复合夹芯板抗爆炸冲击响应及吸能特性研究

采用有限元方法研究爆炸载荷下四边固支孔结构金属复合夹芯板的动力响应及吸能特性,给出了孔结构金属复合夹芯板的动力响应过程,得到夹芯板的变形模式,比较了孔结构金属复合夹芯板与非孔结构金属复合夹芯板的抗爆炸冲击性能,同时讨论了孔大小、间距、排布方式和面板质量分布等因素对孔结构金属复合夹芯板抗爆炸冲击性能的影响。研究结果表明,迎爆面外面板的孔设计使爆炸冲击波穿过孔洞直接作用在芯材上,增强了芯材的压缩,从而提高了夹芯板的能量吸收能力。同等面密度情况下,内外面板厚度比大于1的孔结构金属复合夹芯板变形挠度小于内外面板厚度比小于1的孔结构金属复合夹芯板。进一步研究发现,通过合理设计内外面板的质量分布,可以使孔结构金属复合夹芯板的抗爆炸冲击性能最优。     

蜂窝夹芯板与Whipple结构对撞击能量吸收与耗散的特性比较

通过数值仿真模拟弹丸高速撞击蜂窝夹芯板和Whipple结构,研究蜂窝芯对弹丸碎片云形态的影响;并研究了弹丸、蜂窝夹芯板、Whipple结构的能量吸收与耗散。结果表明:弹丸撞击蜂窝夹芯板后碎片云形态呈近似椭球体,且长半轴明显较长,而弹丸撞击Whipple结构的碎片云形态呈近似球体;蜂窝芯吸收的能量随弹丸的破碎程度的增强而增加;弹丸能量衰减主要发生在撞击蜂窝夹芯板的前后面板和Whipple结构的两层板,蜂窝芯的吸能作用使得Whipple结构吸收的能量高于蜂窝夹心板面板吸收的能量。     

低速冲击下负泊松比蝴蝶形蜂窝夹芯板的动力响应

为了研究负泊松比蝴蝶形蜂窝夹芯板在低速冲击下的动力学响应,采用质量-弹簧模型获得了冲击器与蜂窝夹芯板之间的接触力,同时基于哈密顿原理和一阶剪切变形理论推导了负泊松比蝴蝶形蜂窝夹芯板的运动方程,采用Navier法和Duhamel积分对蜂窝板的振动位移进行了理论解析求解。在理论验证方面,蜂窝夹芯板前5阶固有频率的数值模拟结果与理论模型计算结果的最大相对误差为6.52%,蜂窝夹芯板中心最大横向位移的数值模拟结果与理论模型计算结果的最大相对误差为6.84%,理论模型求解的接触力与文献得到的接触力的最大相对误差为8%,验证了理论模型的有效性。结果表明,随着球形冲击器冲击速度的递增,蜂窝夹芯板的最大横向位移呈现递增的规律。而在相同冲击载荷下,蜂窝夹芯板的抗冲击特性随着胞元壁厚的增大而增强,随着胞元角度的增大而减弱;随着负泊松比蝴蝶形蜂窝夹芯板长宽比以及夹芯层与顶部蒙皮层的高度比的增大,蜂窝夹芯板的横向位移减小,冲击器与蜂窝夹芯板之间的接触力增大。当蜂窝夹芯板的宽长比从1∶1变化到1∶2时,蜂窝夹芯板最大横向位移减小6.1%;当顶部蒙皮层与蜂窝芯层的高度比从1∶6变化到1∶14时,蜂窝夹芯板的最大横向位移减小5.4%,这表明蜂窝夹芯板的抗冲击性能增强,吸能效果明显。

     

梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的动力响应

利用弹道冲击摆锤系统对分层梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载下的动力响应进行了实验研究,分析了梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的变形失效模式,并与传统非梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能做了对比。通过一维应力波理论,分析了应力波在梯度芯层中的传播规律。应力波透射系数在梯度试件中比非梯度芯层中小,而且相对密度递减的芯层组合有最小的应力波透射系数。综合考虑结构变形失效模式,后面板挠度,芯层压缩量以及应力波传播特点得到:分层梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能明显优于传统的非梯度夹芯板,在所研究的荷载范围内,芯层相对密度从大到小排列试件的抗爆性能相对较好。     

爆炸荷载作用下方形夹芯板动力学响应与优化设计数值分析

为研究方形蜂窝铝板在爆炸荷载作用下的动力学响应,基于LS-DYNA非线性有限元软件,建立了TNT炸药-前后面板-蜂窝夹芯-空气的三维有限元模型。采用ALE(任意的拉格朗日欧拉)多物质流固耦合算法分析了蜂窝铝板在冲击荷载作用下的变形机理、塑性变形、能量吸收以及结构的优化。数值模拟结果表明:随着面板厚度、核心高度的增加,蜂窝铝板在冲击荷载作用下的塑性变形明显减小,抵抗变形的能力增强;随着爆轰入射角度的增加,结构的破坏程度有所减小,入射角越大这种效果越发明显。对结构给定边长和受冲击面积以及面板厚度配合比、夹芯量纲为一的高度进行了局部的优化分析,为设计优质铝蜂窝板提供参考。     

多层梯度点阵夹芯结构抗爆性能研究

基于CONWEP对多层梯度点阵夹芯板在爆炸载荷下的动态响应进行了模拟研究。在相同爆炸载荷下,对四种梯度点阵模型的后面板中心挠度峰值进行了对比分析,讨论了各模型每层芯子的总变形能随相对密度比的变化规律,并对多层点阵夹芯板各层的变形情况进行了比较。分析结果表明:对于三层金字塔点阵夹芯结构,强弱相间的点阵夹芯板充分利用了前两层芯子的变形吸能,从而对第三层芯子和后面板起到了很好的保护作用;且在350g TNT炸药和200mm爆距的爆炸载荷下,相对密度比为0.5的强弱相间点阵夹芯板的后面板中心挠度峰值最小,抗爆冲击性能最优。     

多孔金属夹层板在冲击载荷作用下的动态响应

借助两种有限元软件ABAQUS和LS_DYNA, 模拟和分析了两种厚度不同的泡沫铝合金夹层板(三明治板)、方孔蜂窝形夹层板和波纹形夹层板在冲击载荷下的动态响应. 4种夹层板的单位面积密度相同,冲击载荷分别用泡沫铝子弹与不锈钢子弹模拟. 讨论了泡沫金属夹层板和格构式夹层板在不同冲击载荷作用下的变形机制,重点在于对夹层板的吸能特性及板内各部分吸能变化规律的探讨.研究结果表明: 在泡沫子弹冲击下,夹层板主要是通过自身变形来消耗子弹动能,并转化为自身内能. 厚度为22\,mm的泡沫金属夹层板吸收能量最多,底面变形最小,是结构性能最优的夹层板;在刚性子弹高速冲击穿透过程中,格构式夹层板的吸能性能比单位面积密度相同的泡沫金属夹层板的吸能性能更好. 波纹形夹层板的能量吸收能力在4种板中最高.      

Metallic sandwich panels subjected to multiple intense shocks

The mechanical response and fracture of metal sandwich panels subjected to multiple impulsive pressure loads (shocks) were investigated for panels with honeycomb and folded plate core constructions. The structural performance of panels with specific core configurations under multiple impulsive pressure loads is quantified by the maximum transverse deflection of the face sheets and the core crushing strain at mid-span of the panels. A limited set of simulations was carried out to find the optimum core density of a square honeycomb core sandwich panels under two shocks. The panels with a relative core density of 4%–5% are shown to have minimum face sheet deflection for the loading conditions considered here. This was consistent with the findings related to the sandwich panel response subjected to a single intense shock. Comparison of these results showed that optimized sandwich panels outperform solid plates under shock loading. An empirical method for prediction of the deflection and fracture of sandwich panels under two consecutive shocks – based on finding an effective peak over-pressure – was provided. Moreover, a limited number of simulations related to response and fracture of sandwich panels under multiple shocks with different material properties were performed to highlight the role of metal strength and ductility. In this set of simulations, square honeycomb sandwich panels made of four steels representing a relatively wide range of strength, strain hardening and ductility values were studied. For panels clamped at their edge, the observed failure mechanisms are core failure, top face failure and tearing at or close to the clamped edge. Failure diagrams for sandwich panels were constructed which reveal the fracture and failure mechanisms under various shock intensities for panels subjected to up to three consecutive shocks. The results complement previous studies on the behavior and fracture of these panels under high intensity dynamic loading and further highlights the potential of these panels for development of threat-resistant structural systems.     

铝合金格栅夹层结构水下抗冲击特性的实验研究

基于非药式水下爆炸冲击波加载技术,对格栅型夹层结构的动态响应及抗冲击防护性能,进行了实验研究。利用高速相机,对夹层板的动态变形情况进行了实时观测,获得了格栅夹层板气背面在水下冲击波作用下的动态响应历程,并结合相同面密度单层板在水下冲击波作用下的抗冲击变形结果,对比分析了铝合金格栅夹层板的抗冲击防护性能,获得了格栅型夹层板的气背面板最大变形量与水下冲击波量纲一冲量间的定量关系。     

四边简支正交各向异性蜂窝型夹层板固有频率计算

该文以四边简支的方形蜂窝矩形夹层板为例,在经典夹层板理论的基础上,运用离散结构形式的运动控制方程和线性微分算子的可交换性,给出了一种把具有蜂窝型夹心的夹层板的包含三个广义位移的控制方程组化为,仅包含一个广义位移函数的单一方程的简单方法,并给出了四边简支蜂窝型夹层板的固有频率的精确解。研究结果对蜂窝夹层板的结构设计和工程应用具有指导意义。     

具有填充材料的金属格栅夹层板在高速冲击下动态响应的数值分析

利用大型非线性有限元程序ABAQUS和LS-DYNA,对具有填充材料的金属格栅结构的冲击问题进行数值模拟.研究了不同的填充材料(金属泡沫和陶瓷)分别填充到不同的格栅构型(波纹型、蜂窝型和加强六边形)夹层板后,各类夹层板受到金属泡沫子弹和不锈钢子弹冲击时变形与能量吸收特性,探讨了夹层板上下面层板、支撑格栅及填充材料等各部分的吸能比率.研究结果表明,泡沫填充夹层板在缓冲吸能方面具有优势,陶瓷填充夹层板则在抵抗冲击穿透方面更具有优势,不同构型的夹层板,性能略有不同.     

The resistance of metallic plates to localized impulse

The responses of metallic plates and sandwich panels to localized impulse are examined by using a dynamic plate test protocol supported by simulations. The fidelity of the simulation approach is assessed by comparing predictions of the deformations of a strong-honeycomb-core panel with measurements. The response is interpreted by comparing and contrasting the deformations with those experienced by the same sandwich panel (and an equivalent solid plate) subjected to a planar impulse. Comparisons based on the center point displacement reveal the following paradox. The honeycomb panel is superior to a solid plate when subjected to a planar impulse, but inferior when localized. The insights gained from an interpretation of these results are used to demonstrate that a new design with a doubly-corrugated soft core outperforms solid plates both for planar and localized impulses.     

爆炸载荷作用下具有可折叠芯层夹芯梁的动态响应

基于目前研究最广泛的刚性折纸(Tachi-origami)样式,通过改变其初始折叠角度构建出4种不同的蜂窝胞元,并且通过排列分布将其组成夹芯梁。采用商用有限元软件Abaqus/explicit对准静态和爆炸载荷作用下可折叠芯层夹芯梁的力学响应进行研究,分析可折叠芯层的泊松比变化规律、夹芯梁背板挠度以及能量吸收机理;并将夹芯梁与等质量的实体梁进行对比。采用后面板最大挠度作为抗爆性能的评价,结果发现:可折叠芯层在准静态载荷下具有一定的负泊松比效应;夹芯梁的抗爆性能优于实体梁,曲边蜂窝的初始折角对其作为芯层夹芯梁的抗爆性能有较大影响,随着初始折角的逐渐增大,其抗爆性能逐渐下降;当初始折角为直角时对应于方孔直边蜂窝,其抗爆性能最差。     

高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明：夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。