强动载荷作用下多孔金属夹芯方板的动态力学行为研究

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1、太原理工大学博士学位论文IIIIIIUlIIIllIIIIIIY2396138强动载荷作用下多孔金属夹芯方板的动态力学行为研究学科专业固体力学研究方向冲击动力学研究生李鑫指导教师吴桂英教授王志华教授培养单位太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所2013年5月THEDYNAMICMECHANICALBEHAVIOROFPOROUSMETALLICSQUARESANDWICHPANELSUNDERlNTENSIVELOADlNGDissertationSubmittedtoTaiyuanUniversityofTechnologyInpartialfulfillmentoftherequ

2、irementFortheDoctoralDegreeofPhilosophyByLiXinDissertationSupervisor：Prof．WuGuiyingProf．WangZhihuaInstituteofAppliedMechanicsandBiomedicalEngineeringTaiyuanUniversityofTechnologyMay2013声明尸明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中

3、以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它子复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。作者签名：么耄丝日期：竺』i：左：』墨导师签名：墨∑整：芝日期：A原±坐工人学博Ij州究_j学位硷爻强动载荷作用下多孔金属夹芯方板的动态力学行为研究摘要多孔金属以其优异的力

4、学性能和物理特性被广泛的应用于航空航天、交通物流、军事工业以及建筑等领域，是一种集多功能与一体、能良好适应各类服役环境的先进材料。以多孔金属为芯层的夹芯结构既弥补了多孔金属本身的强度不足，又充分发挥了面板与芯层的各自优势，极大的拓宽了多孔金属材料的应用范围。关于多孔金属夹芯结构在准静态载荷和动载荷下的力学行为研究已成为国内外学者研究的热点问题。目前这一课题尚未形成系统的研究体系，仍然具有大量的问题亟待解决。相信随着研究的不断深入，多孑L金属夹芯结构将在工程应用和高科技领域发挥越来越重要的作用。本文针对典型的铝蜂窝夹芯板和铝波纹夹芯板进行了爆炸加载实验和泡沫子弹撞击加载实验，通过改变炸药

5、当量、距离、子弹撞击速度等载荷参数，研究了不同冲量下固支夹芯方板的变形失效模式和塑性动力响应过程。实验结果表明，芯层厚度和芯层平均密度的增大均能有效的减小后面板的最终挠度，而厚度和平均密度的增大将会增加结构的体积与质量，如何平衡抗爆性能与夹芯结构体积与质量之间的关系是夹芯结构设计的重要考虑因素。爆炸载荷作用下夹芯板的面板主要有塑性大变形、撕裂、侵入失效三种失效模式，芯层变形区域可分为压实、部分压实以及边界三个区域，在边界处将有明显的剪切失效发生。子弹撞击作用下前面板主要有压A原理工人学粤I．研究生学何硷文入、撕裂和“嵌入”失效，后面板为“穹”形整体变形以及局部的撕裂直至穿透。芯层的主要

6、变形区域位于子弹撞击区域，与爆炸载荷相比，边界处不出现明显的剪切失效。夹芯板的失效模式与泡沫子弹的密度相关，在一定的冲量下，当泡沫铝相对密度较低或者较高时，子弹撞击过程中自身所耗散的内能将更少，从而子弹的动能将更多的传递给结构从而导致夹芯结构的“嵌入”失效。在强动载作用下结构的瞬时挠度将超过其最终挠度10％．40％，可能产生对被保护结构与人员的更大伤害。应变结果表明泡沫铝子弹撞击加载下结构的运动过程可以分为子弹压缩、子弹和弹托共同作用两个阶段。基于实验结果，采用非线性有限元软件AUTODYN对爆炸载荷和子弹冲击作用下结构的动力响应进行了数值模拟。分析了载荷与结构的作用过程、芯层的变形过

7、程、结构各部分的能量吸收以及结构的变形机理。结果表明：相对于球面波，柱形炸药所产生的冲击波作用下，夹芯板中心所承受的载荷强度明显增大，夹芯板的塑性区域将首先在中心承载区形成并逐渐向边界处移动，夹芯板承载区域将更容易出现侵入失效。对于蜂窝夹芯板，爆炸载荷作用的初始阶段芯层就已经出现屈曲并开始压缩，当芯层达到最大压缩量之后蜂窝板的整体运动开始；而对于波纹夹芯板，由于其芯层壁厚较大，在载荷作用的初始阶段几乎和前面板同时加速，在前面板加速到最大速度的过