梯度金屬泡沫夾芯複合結構的爆炸衝擊能量吸收機理

《梯度金屬泡沫夾芯複合結構的爆炸衝擊能量吸收機理》是依託西安交通大學，由趙桂平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：梯度金屬泡沫夾芯複合結構的爆炸衝擊能量吸收機理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙桂平
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

複合材料面板-梯度金屬泡沫夾芯結構是一種新型輕質結構，本項目擬研究該類輕質夾心結構的爆炸衝擊吸能機理。從梯度金屬泡沫三維細觀模型出發，結合實驗結果分析，建立其動態力學性能與平均孔隙率及梯度密度間的關係。採用實驗研究、理論和數值模擬方法，研究複合材料-梯度金屬泡沫夾芯結構在爆炸衝擊載荷作用下變形、損傷、破壞過程，研究夾芯複合結構的面板及芯材等各組成部分的能量耗散機理及對夾芯結構吸能特性的影響，分析複合材料面板和梯度金屬泡沫芯體之間的相互作用及耦合機制，給出其動力失效模式，揭示輕質夾芯結構的能量吸收機理，闡明複合材料層合面板內部損傷模式、梯度金屬泡沫材料細觀結構破壞形態和輕質夾芯結構巨觀動態回響之間的關係。研究成果可為高效吸能、耐衝擊的梯度金屬泡沫夾芯複合結構設計提供理論基礎，為防護工程與公共安全提供有關技術支撐。

結題摘要

本研究工作採用理論分析、實驗和數值模擬方法。基於顯微CT斷層掃描影像信息，逆向重建了閉孔泡沫鋁的三維細觀有限元模型，定量研究了泡沫金屬在多軸壓縮載荷作用下的大變形力學行為及其唯象彈塑性本構參數的確定方法。採用泡沫金屬子彈撞擊載入（模擬衝擊波）試驗研究了碳纖維複合材料面層-泡沫鋁夾芯結構的衝擊回響，得到了夾芯結構的變形與失效模式。針對傳統名義應變無法準確描述梯度泡沫金屬在準靜態壓縮過程中全部材料壓潰之前存在明顯的未變形區域的問題，提出了瞬態名義應變的表達式，並據此導出壓潰應力的計算式，建立了瞬態名義應力-應變關係表達式，基於該表達式分析了梯度泡沫金屬材料的能量效率，研究了密度梯度變化對其能量效率的影響規律。進一步建立了複合材料面層-梯度泡沫金屬夾芯板的振動方程和描述梯度泡沫金屬夾芯結構局部壓入行為的理論模型，分析了梯度泡沫金屬芯層密度梯度變化對夾芯板振動特性和回響的影響，研究了正、負梯度泡沫金屬夾芯結構的局部變形和整體變形的關係。針對神舟飛船返回艙著陸過程中與地面碰撞的減震問題，基於以上理論模型，建立了雙自由度彈簧-阻尼-梯度泡沫金屬材料的碰撞模型，研究了梯度泡沫金屬作為吸能緩衝材料對返回艙外殼和內部被保護結構振動回響的影響，並研究了梯度泡沫金屬材料密度分布變化對內部被保護結構衝擊過程中加速度峰值的削減規律，研究結果發現，梯度泡沫金屬夾芯結構比傳統的均質泡沫金屬夾芯結構具有更好的抗衝擊、吸能性能。