文档介绍：第卷第期爆炸与冲击., .
年月,
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撞击载荷下泡沫铝夹层板的动力响应
宋延泽,王志华,赵隆茂,赵勇刚
太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所,山西太原
摘要:应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支方形夹层板和等质量实体板的动力响应,分别应用
激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移历史,给出了夹层板的变形
与失效模式,研究了子弹冲量、面板厚度、泡沫芯层厚度及芯层密度对夹层板抗撞击性能的影响。结果表明,
后面板中心点挠度最大,周边最小,整体变形为穹形,且伴有花瓣形的变形。参数研究表明,通过增加面板厚
度或芯层厚度均能有效控制后面板的挠度,改善夹层板的能量吸收能力,结构响应对子弹冲量和芯层密度比
较敏感。实验结果对多孑金属夹层结构的优化设计具有一定的参考价值。
关键词:固体力学;动力响应;撞击载荷;夹层板;金属泡沫
中图分类号:. 国标学科代码:· 文献标志码:
引言
多孔金属材料具有轻质、高效吸能等优点,常被作为吸能部件应用于航空航天、汽车、舰船等领域,但由于其强度不
高,应用范围受到了极大的限制。多孔金属夹层板是由层较薄的复合材料或者金属面板与中间较厚的轻质金属泡沫
芯层构成,这种三明治结构不仅具有质量小、吸能效率高的特点,而且具有较高的比刚度,在充分发挥泡沫材料自身特点
的同时解决了强度低的问题,具有广泛的应用前景】。这种结构在强动载荷作用下的良好性能引起了学术界和工程界
的广泛关注。
.等对爆炸载荷作用下固支夹层圆板和等质量实体板的抗撞击性能进行了比较分析,针对种不同的芯层
拓扑结构角锥桁架、方孑蜂窝及折皱板进行了优化设计,其目标参数包括:芯层与面板厚度、芯层高跨比及其相对密
度。研究表明,与等质量实体板相比,优化后的夹层板能够承受更强的爆炸载荷作用,具有良好的吸能效果。.
等建立了固支夹层圆板在撞击载荷下变形的解析模型,分析了夹层板在撞击载荷下的变形历史,并应用有限元方法验
证了分析模型的正确性。研究结果表明,芯层压缩强度和面板应变强化对结构响应的影响不大。等研究
了爆炸载荷作用下铝蜂窝夹层板的动态响应,给出了变形和失效模式,重点研究了面板厚度、孔径尺寸、孔壁厚度及炸药
当量对结构响应的影响,并进行了有限元分析,与实验结果取得了较好的一致性。在实验基础上,等建立
了夹层板在爆炸载荷作用下的理论模型,分析认为夹层板的变形历史分为个阶段:第阶段前面板获得初速度,此时
结构的其余部分保持静止;第阶段是芯层压缩过程,假设后面板保持不动;第阶段为结构整体变形。应用解析模型,
考虑了长宽比、芯层相对密度及芯层厚度等参数,对结构进行了优化设计。
实验研究三明治结构在强冲击载荷作用下的动力学特性和失效机理时主要采用爆炸加载获得强冲击载荷。实验中
使用炸药这一高能物质有许多困难:安全性差、需要专用场地,技术复杂等,特别是难以精确得到预先设定的冲量。为了
能在常规实验室条件下频繁地验证模型和对设计原型进行实验研究,急需发展一种简单、经济和安全的动态实验加载技
术,可给出在空气和水中爆炸压力的加载历史。最近的研究显示,金属泡沫几乎是在恒定的压力下坍塌,坍塌压力幅
值从准静态的几兆帕可增加