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原文传递冲击波作用下高强聚乙烯纤维-负泊松比夹芯复合结构防护性能研究

论文题名：	冲击波作用下高强聚乙烯纤维-负泊松比夹芯复合结构防护性能研究
关键词：	舰船;夹芯复合结构;高强聚乙烯纤维;负泊松比结构;空中爆炸冲击波;防护性能
摘要：	舰船作为海上军事力量的重要组成部分，常会受到鱼雷、导弹等反舰武器的威胁。各国均在积极开展对舰船防护结构的优化以及新型防护结构的设计以提升防护结构的防护性能，其中将新型材料与新型结构组合形成夹芯复合结构是主要的思路之一。高强聚乙烯纤维的高弹性模量，可以化点载荷为面载荷使结构的变形更加均匀，负泊松比结构具有较大的变形空间及优良的吸能特性，使其在能量吸收方面具有良好的表现。将这二者相结合按照一定的方式进行组合，可以得到综合性能更优的夹芯复合结构。研究这种夹芯复合结构在爆炸冲击波作用下的防护性能，深入理解其防护机理，掌握主要设计参数的影响规律，是优化设计该类新型结构和提高其抗爆性能的基础。本文主要开展的工作以及得出的结论如下：　　（1）开展了在空中爆炸冲击波作用下高强聚乙烯-负泊松比夹芯复合结构防护性能的实验研究。根据实验结果，获得了夹芯复合结构的面板最大变形值和失效模式随芯层的质量配比、芯层材料以及芯层几何参数的变化规律。甄别了在爆炸冲击波作用下夹芯复合结构表现出的失效模式，具体包括：塑性大变形（ModeⅠ）；塑性大变形加中心区域面板拉伸变薄（Mode Itc）；中心区域局部撕裂变形（ModeⅡ*c）。　　（2）采用有限元软件AUTODYN对冲击波作用下高强聚乙烯纤维-负泊松比夹芯复合结构的防护性能进行了数值仿真。对夹芯复合结构的典型工况从TNT炸药爆炸和夹芯复合结构动态响应过程、面板中心处速度及加速度、各部件能量吸收等角度进行分析和讨论，得到了夹芯复合结构在爆炸冲击波作用过程中典型物理量的变化规律。典型工况的数值仿真结果与实验结果基本一致，面板最大塑性变形误差在7%以内，验证了数值仿真模型的正确性。　　（3）针对典型夹芯复合结构方案，采用数值仿真的方法，从上面板和下面板变形失效容貌、横截面失效容貌、特征点速度与加速度响应曲线以及能量吸收等角度进行了计算分析，并与等质量均质实体板和加筋板的抗爆性能进行了对比。在此基础上，进一步分析了芯层质量配比、负泊松比芯层双箭头角度以及高强聚乙烯芯层和负泊松比芯层的放置顺序对夹芯复合结构抗爆性能的影响。数值仿真结果表明，合理的夹芯复合结构方案下面板变形相较于等质量实体板减小了34.24%。另外，对夹芯复合结构抗爆性能影响最大的是芯层的放置顺序，芯层质量配比次之，负泊松比双箭头角度影响最小。　　本文研究工作揭示了高强聚乙烯-负泊松比夹芯复合结构在空中爆炸冲击波作用下的防护性能机制，对夹芯复合结构的设计应用具有一定的参考价值。
作者：	谢杰克
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	程远胜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021