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原文传递新型三维负泊松比蜂窝结构冲击动力学性能研究

论文题名：	新型三维负泊松比蜂窝结构冲击动力学性能研究
关键词：	舰船结构;三维负泊松比蜂窝结构;等效力学模型;冲击动力学
摘要：	负泊松比蜂窝结构具备优良的力学性能、出色的能量吸收能力和轻量化特性，使其在舰船抗爆抗冲击等结构防护领域中具有重要应用价值。本文设计了一种三维负泊松比蜂窝结构（Three-dimensional Negative Poisson’s Honeycomb，3D-NPH）。作为一种新型功能结构，该结构保留了传统负泊松比结构的优异性能，还兼备了更好的各项同性，适用于更复杂的多轴受载工况，拓宽了其工程应用背景。本文采用理论推导、数值仿真以及模型试验相结合的方式探讨了新型三维负泊松比蜂窝结构在准静态压缩和强制位移冲击下的力学性能。并针对舰船服役中可能遭受的潜在威胁，研究分析了新型三维负泊松比蜂窝夹芯板（Three-dimensional Negative Poisson’s Honeycomb Sandwich Panel，3D-NPHSP）在局部强冲击载荷作用下的抗冲击性能。本论文具体研究内容如下：　　（1）对本文所设计的新型三维负泊松比蜂窝结构的分析模型进行了简化，基于铁木辛柯梁理论对准静态下结构的力学性能进行推导，建立了新型三维负泊松比蜂窝结构的等效力学模型，分析了胞元各几何参数对结构整体性能的影响；建立了新型三维负泊松比蜂窝结构在准静态压缩作用下的数值模型，并进行仿真计算，得到了结构力学性能的有限元结果；利用万能试验机对3D打印制备的试件施加轴向上的压缩，获取了结构力学性能的试验结果。通过对比分析理论解、有限元结果与试验结果三者，验证了本文所建立的新型负泊松比蜂窝结构力学模型的合理性，为后续的结构动态仿真分析及优化设计提供参考。　　（2）开展了强制位移冲击下新型三维负泊松比蜂窝结构的动态力学行为及影响因素的研究。建立了新型三维负泊松比蜂窝结构在冲击作用下的有限元模型，讨论了单元类型及尺寸对模型精度的影响，重点研究了该结构在不同恒速冲击下的变形模式及动态响应特征，并从胞元微观失效形式入手，结合蜂窝整体变形模式，推导了新型三维负泊松比蜂窝结构抗压强度（平台应力）的解析公式。　　（3）从舰船结构防护角度出发，将新型三维负泊松比蜂窝结构作为芯体构建了夹芯板结构，并建立其有限元模型。以具有较高初速度的泡沫铝子弹作为冲击载体，开展了局部强动载荷作用下新型负泊松比蜂窝夹芯板的抗冲击性能研究。分析了泡沫铝子弹的初始速度、夹芯板面板背板厚度匹配以及胞元几何参数等对夹芯板抗变形能力和能量吸收能力的影响，并依据仿真结果对夹芯板抗冲击性能优化设计提出了参考建议。　　（4）为提高新型负泊松比蜂窝夹芯板的抗冲击性能，根据仿真结果对其初始设计方案进行优化。并在保证质量相同的情况下，建立了传统泡沫铝夹芯板的有限元模型，对比分析新型三维负泊松比蜂窝夹芯板与泡沫铝夹芯板在相同的冲击载荷下的防护能力，以证明本文所设计的新型三维负泊松比蜂窝结构具备优良的动力学性能，且在舰船防护领域拥有广阔的应用前景。
作者：	李谱
专业：	船舶与海洋工程
导师：	乐京霞
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021