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原文传递多层波纹金属夹层板冲击性能分析与优化设计研究

论文题名：	多层波纹金属夹层板冲击性能分析与优化设计研究
关键词：	船舶结构;多层波纹金属夹层板;冲击性能;优化设计
摘要：	夹层结构一般由上、下高强度薄面板和中间轻质厚芯层组成，这赋予了该结构型式高比强度、高比刚度、减振降噪和抗冲吸能等优异性能。这正是夹层结构在航空航天、高速列车和包装等一些对重量和缓震要求苛刻的领域得到广泛应用的原因。近年来，船舶结构夹层化研究工作已逐渐受到关注。凭借自身结构型式简单、易于加工和维护等优势，单层波纹金属夹层结构成为最早应用于船舶结构的夹层结构之一，其对于船舶结构轻量化和冲击防护性能方面的提高有目共睹。与单层波纹金属夹层结构相比，多层波纹金属夹层结构具有更强的可设计性，这使其有许多潜能有待被挖掘。因此，本文以304不锈钢多层波纹夹层板为研究对象，围绕其抗冲击性能和优化设计开展以下主要研究工作：　　（1）多层波纹金属夹层板制备及其面外压缩行为研究。根据多层波纹夹层板结构特点，提出一种加工变形小、连接强度高的钎焊成型工艺。基于面密度和高度相当原则设计6种多层波纹夹层板，开展其准静态和中低速动态面外压缩实验，研究芯层叠放方式、芯层层数和芯层拓扑构型对多层波纹夹层板压缩特性的影响规律。建立有限元模型对多层波纹夹层板的面外高速压缩下的力学行为进行拓展性研究，并进一步探究芯层梯度对其高速压缩特性的影响。结果表明：交叉叠放芯层和改变芯层层数均提高了多层波纹夹层板整体抗压能力；将波纹构型由梯形改变为直角或内凹梯形降低了夹层板压缩曲线的峰值应力，多层内凹梯形波纹夹层板呈现出最弱的面外抗压性能，而多层直角波纹夹层板凭借自身较大的密实化应变增加了在准静态压缩下的能量吸收，且在动态压缩载荷作用下通过壁板变形机制的转变提高了自身的抗压性能。在高速冲击下，变壁厚梯度设计能够通过触发多层波纹芯层整体屈曲变形或者弯曲-翻转变形机制提高对下面板的缓冲作用，而变折角梯度设计则使各层波纹板更易发生相互接触，从而无法实现对多层波纹夹层板抗冲性能的提高。　　（2）水下冲击波载荷下多层波纹金属夹层板动态响应研究。利用自行研制的小型爆炸装置开展16个模型的水下爆炸实验，甄别水下冲击波载荷下多层波纹夹层板的变形/失效模式，对比分析了多层波纹夹层板与等面密度空气芯层夹层板在不同载荷强度下的抗爆性能，并深入探讨了芯层叠放方式、芯层层数、芯层梯度和芯层拓扑构型对多层波纹夹层板变形/失效模式和抗爆性能的影响规律。建立多层波纹夹层板水下爆炸流固全耦合有限元模型，研究实验过程中难以测量的物理特征量，包括炸药爆轰和夹层板动态响应过程、耦合面压力分布、面板中心点速度响应特征以及结构各部件的塑性能耗散量。结果表明：在研究载荷范围内，多层波纹夹层板耦合面载荷强度低于等面密度的空气芯层夹层板，但后者对其下面板变形防护能力优于前者。改变壁厚梯度和拓扑构型能够降低多层波纹夹层板下面板的塑性变形，而改变芯层叠放方式、芯层层数和波纹折角梯度均无益于缓解下面板的塑性变形。夹层板整体吸能量逐渐提高，其中多层波纹芯层贡献了70%以上的能量耗散。改变多层波纹芯层结构参数对夹层板整体的塑性能耗散量未产生显著影响，但能改变各部件吸能的分配情况。　　（3）梯度波纹金属夹层板水下抗爆性能变复杂度代理模型构建与多目标优化设计。将已建立的流固全耦合有限元模型视为高精度模型，并采用增大网格尺寸和去除流域网格两种途径获得计算效率更高的低精度有限元模型。通过对比两种低精度结果的趋势信息确定合适的低精度有限元模型，构建变复杂度代理模型拟合设计变量和响应值之间高度非线性的函数关系。基于变复杂度代理模型，通过多变量分析全面研究了设计变量对响应值的影响规律，同时借助NSGA-Ⅱ算法对梯度波纹夹层板抗爆性能进行多目标优化求解。结果表明：粗网格低精度有限元模型更适合与高精度有限元模型结合构建变复杂度代理模型，实现对梯度波纹夹层板爆炸动态响应的快速准确预报。与基准夹层板相比，优化后的设计方案能够在不劣化下面板最大塑性变形值的前提下改善整体单位质量吸能，或不劣化整体单位质量吸能量前提下改善下面板最大塑性变形值，其提升幅度均达30%左右。　　本文研究工作为多层波纹夹层板在船舶工程领域的应用提供了有价值的参考。
作者：	蔡思培
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	刘均
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021