冲击载荷作用下夹层结构动态响应及失效模式研究

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1、博士学位论文冲击载荷作用下夹层结构动态响应及失效模式研究DYNAMICRESPONSEANDFAILUREMODESOFSANDWICHSTRUCTURESUBJECTEDTOSHOCKLOADING叶楠哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：O347学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文冲击载荷作用下夹层结构动态响应及失效模式研究博士研究生：叶楠导师：张伟教授申请学位：工学博士学科：固体力学所在单位：航天学院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O347U.D.C:621Dissertation

2、fortheDoctoralDegreeinEngineeringDYNAMICRESPONSEANDFAILUREMODESOFSANDWICHSTRUCTURESUBJECTEDTOSHOCKLOADINGCandidate:YeNanSupervisor:Prof.ZhangWeiAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:SolidMechanicsAffiliation:SchoolofAstronauticsDateofDefence:December2017Degree-Conferring-Inst

3、itution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要现代战争对于舰艇的性能有着综合的需求，而诸多需求往往互相矛盾，例如防护性和机动性，就是其中最典型的一对。因此在轻量化的前提下强化舰艇的防护能力一直是各国海军关注的焦点，具有重要的意义。而夹层结构凭借远超单一材料的力学性能已经在军用、民用领域取得了广泛的应用。基于此背景，本文通过实验，数值和理论相结合的方法，在实验室范围内对夹层结构在冲击载荷作用下的动态响应和失效机理展开研究，对结构的抗冲击性能和吸能特性进行分析。主要进行了如下工作：进行了实验室范围内的模拟冲击加载实验的有效性验证。通过实验、理论和数值相

4、结合的方法定量获得了泡沫弹的几何和物理参数对产生的冲击波特征参数的影响规律。并据此在后续的章节中进行了强度较大的模拟冲击加载实验。采用三维数字图像相关技术，获得了冲击载荷加载多种夹层结构的动态响应和失效模式。对单层板、分层板、泡沫夹层结构和点阵夹层结构的动态应变、挠度和响应速度等进行了研究。分析了由不同芯层组成的夹层结构的失效模式及机理，讨论了芯层类型对结构破坏的影响，研究了结构的失效模式随载荷强度的变化规律。通过实验获得了夹层结构各构成材料的力学性能。获得了PVC泡沫的本构关系，分析了密度对PVC泡沫的力学性能和吸能特性的影响，获得了PVC泡沫的应变率敏感指数。获得了泡沫铝的本

5、构关系，分析了泡沫铝的应变率敏感性。获得了5A06铝合金的本构模型参数。通过实验和理论的方法对冲击载荷加载PVC泡沫夹层结构进行研究，分析芯层的几何和物理参数对夹层结构抗冲击性能的影响规律；通过实验和数值方法对冲击载荷加载泡沫铝夹层结构展开研究，分析前、后面板的厚度及分配对结构抗冲击性能的影响规律。基于给定变形和给定载荷，对夹层结构进行了轻量化分析，提出了PVC泡沫夹层结构和泡沫铝夹层结构的最终变形预测公式。获得了两种点阵夹层结构的动态响应过程。波纹夹层结构的动态变形表现出面内各向异性；而六边形蜂窝铝夹层结构的动态变形表现出面内各向同性。比较分析了胞元类型和胞元尺寸对点阵夹层结构

6、抗冲击性能的影响。得到了波纹夹层结构和蜂窝夹层结构基于载荷强度的最终变形预测公式，获得两种点阵夹层结构的临界破坏强度。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文本文的研究成果针对舰艇防护结构的抗冲击性能，可以为夹层结构的轻量化设计提供必要的理论支持和数据积累，具有一定的参考和指导价值。关键词：夹层结构；动态响应；失效机理；抗冲击；轻量化设计IIAbstractAbstractModernwarfarehascomprehensivedemandsfortheperformanceofnavalvessels,butthedemandsareoftencontradictory,such

7、asprotectionandmobility,whichareapairoftypicalones.Therefore,itisofgreatsignificancefornaviesaroundtheworldtostrengthentheshockresistanceofthevesselsunderthepreconditionoflightweight.Sandwichstructuresareextensivelyappliedinmilitaryandcivilfi