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原文传递冲击载荷下阶梯梯度泡沫铝夹芯结构动态失效研究

论文题名：	冲击载荷下阶梯梯度泡沫铝夹芯结构动态失效研究
关键词：	舰艇;泡沫铝夹芯结构;动态失效;冲击载荷
摘要：	舰艇在执行任务或海上航行过程中，可能会面临各种爆炸冲击，对舰艇结构造成损伤，所以舰艇防护结构的抗冲击性能始终是学者研究中的重要部分。另一方面，在保证结构具有优越的抗冲击性能的同时，进一步对结构进行轻量化设计来提高舰艇的机动性也是当今发展趋势。夹芯结构因其力学性能优于单一材料并已经在军用和民用领域取得广泛应用，而相较于单一夹芯结构，梯度夹芯结构又具有更好的吸能特性及更多样化的设计性。基于此，本文开展了梯度泡沫铝夹芯结构的抗冲击性能进行研究，并在研究的基础上给出了轻量化设计的依据，为轻质多功能防护结构的设计提供了相关研究依据。　　本文首先对不同密度的泡沫铝材料及不同密度构成的梯度泡沫材料进行准静态压缩实验研究，获取了单一密度和不同密度梯度泡沫铝材料的力学性能参数。研究发现不同密度的泡沫铝材料的致密化应变、屈服应力和平台应力均随着密度的增大而增大，梯度泡沫铝材料的致密化应变要大于最大密度的致密化应变。梯度泡沫材料发生的主要失效模式为孔壁的坍塌，孔壁坍塌依次发生在最弱芯层到最强芯层。与等密度梯度相比，梯度泡沫铝夹芯梁在等密度梯度夹芯梁达到截止应变之前的单位体积的能量吸收能力更差，但其最终单位体积的能量吸收能力更好。通过三点弯曲实验，研究得到了三种典型梯度泡沫铝夹芯梁的失效模式及能量吸收机理，为后续研究奠定基础。　　通过泡沫弹局部冲击加载实验及数值模拟研究，开展了夹支和固支两种典型边界条件下梯度泡沫铝夹芯梁结构在局部冲击载荷作用下的动态响应、失效模式及吸能特性相关研究，探讨了不同冲击强度、不同边界条件以及梯度效应对结构抗冲击性能的影响规律。研究发现：（ⅰ）冲击强度效应。随着冲击强度的增加，同时夹芯梁的整体变形、局部压缩和芯层剪切失效更加严重。在夹支边界下，随着冲击强度的增加，除等密度夹芯梁外，其他四种梯度泡沫铝夹芯梁因边界松弛，夹芯梁在中心区域和边界处受到更大的弯曲作用，使得面板整体变形和芯层失效更加严重。在固支边界下，在高冲击载荷时，正梯度夹芯梁和负梯度夹芯梁出现了在固定孔位置拉断的现象；（ⅱ）边界松弛效应。低速冲击载荷时，两种边界下的泡沫铝夹芯梁动态响应和失效模式表现相近。在中等冲击强度下，夹支边界下的正负梯度夹芯梁因边界松弛，致使夹芯梁的整体变形响应大于固支边界，面板整体变形和芯层失效比固支边界下更严重。达到最大冲击强度时，固支条件下的正负梯度夹芯梁破坏更为严重；（ⅲ）梯度效应。夹支边界下，在低强度冲击下，梯度gc＞0泡沫铝夹芯梁更容易在中心区域发生局部压缩失效，梯度gc＜0的夹芯梁抗弯刚度大，更容易产生整体的变形。随着冲击强度的增加，密度小的芯层排列在上下两层时，梯度效应对夹芯梁的影响表现为边界松弛引起的更大变形，等密度夹芯梁整体变形更小。固支边界下，与等密度梯度夹芯梁相比，正梯度夹芯梁在中等冲击强度下的响应初期表现为局部响应，发生更严重的芯层失效，进而芯材的变形吸能明显优于其他两种结构，展现出最好抗冲击性能。负梯度夹芯梁较早的发生了整体响应，并且密度大的芯层对后面芯层起到一定的保护作用，其芯层失效有所降低，结构完整性好，但由于其芯层排列方式没有发挥出密度小芯层的压缩吸能特点，使结构的后面板变形较大。基于夹芯结构抗冲击研究，本文还建立了梯度泡沫铝夹芯结构的变形响应和加载强度、芯层厚度的量化关系，为轻量化设计提供依据。
作者：	徐宏建
专业：	船舶与海洋工程
导师：	黄威;张满弓
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021