泡沫铝的冲击波衰减和抗爆震特性研究

论文摘要

泡沫金属是一种新型工程材料，由于其独特的物理、化学性能，其应用范围越来越广泛。低阻抗的泡沫金属材料通常具有优秀的冲击能量吸收能力，许多领域已采用泡沫金属达到冲击防护目的，尤其是降低材料重量方面有明显的优势。因此，其动态力学行为和吸能特征成为近几年来力学及材料科学等领域的研究热点之一。 本文首先研究了孔径参数和基体性能对泡沫铝的力学性能的影响。孔径对于泡沫铝的性能的影响取决于泡沫铝的基体性能。对于泡沫纯铝，孔径对屈服强度及塑性硬化模量基本没有影响。韧性泡沫金属的屈服段应力随着应变的增加而缓慢增加；脆性泡沫金属有比较长而平缓的屈服平台区。脆性泡沫的吸能效果总体优于韧性泡沫。 在爆炸载荷下泡沫铝中冲击波强度随着传播距离的增加呈指数衰减的形式。对泡沫铝在抗爆结构上的应用进行了试验研究，并对不同材料的防护结构进行了试验对比。试验结果表明：无论是把泡沫铝作为底板材料还是夹心材料都能减小次生冲击波的超压。 泡沫铝受到爆炸载荷作用时发生塑性变形，这种变形是不可恢复的，而高聚物泡沫在爆炸载荷作用时尽管也变形，但变形一部分是可以恢复的，因此相对延长了超压波的作用时间，超压冲量衰减的相对没有泡沫铝结构那么多。 利用大型工程数值软件LS-DYNA数值模拟了爆炸载荷下泡沫铝的冲击波衰减特性。泡沫铝的波阻抗比较低，泡沫铝在爆炸载荷作用下从上到下发生压缩变形。这与其在准静态和动态情况下泡沫铝均匀的变形模式不同。 对不同泡沫铝结构的抗爆性能模拟的结果表明，采用泡沫铝作为底板材料，能大大降低底板的质点速度，从而减小次生冲击波的超压。如果把泡沫铝作为夹心结构，则能减轻结构的重量，充分发挥泡沫铝的吸能作用，减小结构的整体弯曲变形，降低底板的质点速度，有效地衰减次生冲击波的峰值和冲量。 对不同密度、不同基体性能的泡沫铝中冲击波的衰减规律的数值模拟，结果表明高密度的泡沫铝的冲击波哀减系数比低密度泡沫铝的大。脆性泡沫相对韧性泡沫能更好的衰减冲击波的峰值、降低结构后的次生冲击波的强度、改变冲击波的形状、大大降低冲击波的峰值应力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景介绍
• 1.2 泡沫金属材料概述
• 1.3 泡沫金属材料力学性能研究现状
• 1.3.1 泡沫金属材料准静态力学性能
• 1.3.2 泡沫金属材料动态力学性能概述
• 1.4 泡沫金属在缓冲吸能和减振方面的应用
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 泡沫金属的力学性能及其吸能特性
• 2.1 泡沫金属的结构形态和表征
• 2.2 泡沫金属的力学行为研究
• 2.2.1 泡沫金属的静态力学性能
• 2.2.2 泡沫金属的动态力学性能
• 2.2.3 孔径因素对于泡沫金属性能的影响
• 2.2.4 基体性能对泡沫金属力学行为的影响
• 2.3 泡沫金属的能量吸收研究
• 2.4 泡沫材料的状态方程
• 2.5 冲击波在泡沫材料中的传播特性
• 2.6 本章小结
• 第三章 孔径参数和基体性能对泡沫金属的影响
• 3.1 引言
• 3.2 泡沫铝金属的孔径效应
• 3.2.1 试样的准备和试验方案
• 3.2.2 实验结果
• 3.2.3 泡沫铝的孔径效应的分析
• 3.3 基体性能对泡沫铝力学行为的影响
• 3.3.1 试样制备和实验结果
• 3.3.2 不同基体泡沫铝的能量吸收性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 泡沫铝防爆性能的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 爆炸波在泡沫铝中传播规律的试验研究
• 4.2.1 试验方案
• 4.2.2 PVDF压电压力传感器
• 4.2.3 实验结果与分析
• 4.3 泡沫铝的防爆震的实验研究
• 4.3.1 实验方案
• 4.3.2 实验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 泡沫铝中波传播和抗爆震的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 LS—DYNA的简单介绍
• 5.2.1 LS-DYNA的主要算法
• 5.2.2 LS-DYNA的碰撞算法
• 5.2.3 计算中采用的材料模型和参数
• 5.3 数值模拟
• 5.3.1 算法的选择和结构模型的建立
• 5.3.2 冲击波在泡沫铝中的传播规律的数值模拟
• 5.3.3 钢板防爆震性能的数值模拟
• 5.3.4 泡沫铝板防爆震性能的数值模拟
• 5.3.5 泡沫铝的夹心结构的数值模拟
• 5.4 本章小结
• 第六章 泡沫铝结构的优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 相对密度和基体性能对泡沫铝衰减规律的数值模拟
• 6.3 泡沫铝抗爆震结构的优化设计
• 6.4 波阻抗梯度泡沫铝的设计及应用
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 本文的主要研究工作
• 7.2 研究工作的创新点
• 7.3 本研究工作的不足和下一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文