微孔铝基复合泡沫夹层板动力响应及吸能特性研究

针对重要土木工程结构的爆炸、冲击防护问题，发展一种新型低成本、高吸能性的空心球/Al复合泡沫夹层板结构。首先，以不同空心微珠平均粒径和不同基体铝合金的空心球/Al复合泡沫材料为研究对象，试验和数值模拟相结合，系统研究材料微细观组织结构对空心球/Al复合泡沫的力学性能、变形失效机制及其吸能特性的影响规律；其次，试验研究空心球/Al复合泡沫夹层板在爆炸、冲击荷载下的动力响应，揭示应变率对夹层板动力响应的影响规律，理论与数值模拟分析相结合，揭示夹层复合泡沫微细观结构、板面层厚度、芯层厚度等因素对夹层板动力响应、失效模式及吸能性能的影响规律，基于一维应力波在多层介质中的能量透反射原理，揭示空心球/Al复合泡沫材料及夹层板衰减冲击波的机理；最后，建立空心球/Al复合泡沫夹层板基于能量吸收的优化设计理论，为其应用于土木工程抗爆防护领域提供科学依据。

针对重要土木工程结构的爆炸、冲击防护问题，发展出一种低成本、高吸能性的空心微球/铝基复合泡沫材料夹层板结构，研究了这类结构在爆炸冲击作用下的动态力学和能量吸收问题。通过对材料在准静态、中低应变率及高应变率几种不同应变率水平下的压缩力学性能试验，研究了具有不同平均粒径的空心微球/Al复合泡沫材料的压缩力学性能，变形能力和吸能特性，并结合有限元方法对材料微细观尺度进行了力学性能分析，获得了单胞模型各几何参数对材料压缩力学性能的影响规律；通过一级轻气炮驱动泡沫铝子弹对铝基复合泡沫材料制备的夹层板结构进行高速撞击试验，考察了夹层板结构在等效矩形脉冲载荷作用下的动态响应、变形特征、失效模式以及吸能性能，试验结果表明：高速冲击作用下铝基复合泡沫夹层板具有更好的能量吸收能力和防护能力，芯层泡沫材料厚度对控制夹层板变形起决定性作用。基于LS-DYNA软件对试验进行数值仿真，提出了夹层结构的最优化设计思路；利用大型乙炔/空气混气体爆炸试验装置，对泡沫铝和铝基复合泡沫材料夹层板结构进行爆炸冲击试验，测量了结构表面超压、应力、变形等数据，对比分析了两类夹层板防护性能的优劣，用有限元方法对试验进行数值仿真，提出该类结构的抗爆及防护设计理论。该项目以铝基复合材料的力学性能入手，以夹层板结构为研究目标，试验和数值仿真研究方法相结合，所取得的研究成果为推进铝基复合泡沫材料在重要土木工程抗爆防护中的应用提供有力支持。