空中爆炸载荷下含泡沫填充物杂交夹层结构失效机理研究

Foam-filled hybrid sandwich structures are new type of potential structures to be applied in naval vessels. It should be noted that many mechanical properties of foam-filled hybrid sandwich structures are quite different from those of traditional stiffened plate structures and sandwich structures (without fillers). Researches on the nonlinear mechanical behavior and failure mechanisms of foam-filled hybrid sandwich structures subjected to air blast loading are key scientific problems to be solved. The main contents of this research contain: 1) research on theoretical model and numerical model to deal with interaction between explosion product and the face sheet towards the blast, and using the models to analyze the property of air blast loads imposing on foam-filled hybrid sandwich structures. 2) research on coupling dynamics at mesoscopic level and theoretical analysis model of plastic deformation at macroscopy level, and investigation on nonlinear mechanical behavior and failure mechanism of foam-filled hybrid sandwich structures under air blast loading. 3) the experimental studies on air blast loading and nonlinear mechanical behavior of foam-filled hybrid sandwich structures. The study will reveal the features of nonlinear mechanical behavior and failure mechanism of subjected to air blast loading. The proposed study certainly has important theoretical and academic values, and provides the theoretical foundation and technical support for their application in ship-building industry.

含泡沫填充物杂交夹层结构作为一种可能应用于舰船工程的新型结构形式，其力学性能与传统加筋板结构以及夹层结构（不含填充物）都存在较大差异性，其在空中爆炸载荷下的动态响应和失效机理是需要解决的关键科学问题。项目通过建立空中爆炸产物与结构耦合作用的理论分析模型和精细数值模型，分析含泡沫填充物杂交夹层结构空中爆炸载荷特性；基于细观层面的耦合动力学分析和宏观层面的塑性动力响应理论分析，研究空中爆炸载荷下含泡沫填充物杂交夹层结构塑性动力响应及失效机理；通过开展空中爆炸试验全面系统地获得含泡沫填充物杂交夹层结构失效具体特征，验证并修正建立的理论分析模型和数值模型。本项研究将获得空中爆炸载荷下含泡沫填充物杂交夹层结构的非线性动态响应特性及失效机理，为杂交夹层结构在舰船结构设计中的应用提供理论依据和技术支持。

本项目基于“杂交”的思想，构建了含泡沫填充物杂交夹层结构，旨在充分发挥泡沫夹芯结构和波纹夹层结构的互补优势。通过开展系统的理论、数值和实验研究，掌握了其动力学行为特征及失效机理。主要研究工作和研究结论如下：.(1) 开展了含泡沫填充物杂交夹层结构制备方法研究。设计加工了小尺度激光焊接夹具，确定了合理的焊接工艺参数，实现了PVC泡沫填充和泡沫铝填充杂交夹层板实验模型的制备。.(2) 开展了含泡沫填充物杂交夹层结构空中爆炸载荷特性研究。从时空分布层面，探讨了耦合面压力分布特征，发现填充物的引入、填充方式的变化、填充物密度变化以及芯层配置的改变对耦合面压力的影响非常有限。.(3) 开展了空中爆炸载荷下含泡沫填充物杂交夹层结构塑性动力响应及失效机理研究。基于已建立的精细化数值模型，准确模拟了杂交夹层板塑性变形和结构破坏模式，甄别了结构响应模式，探讨了填充方式和填充物密度对其能量吸收特性的影响规律。研究结果表明：泡沫填充物对结构总吸能的贡献按全填充、迎爆面填充、背爆面填充和无填充顺序逐渐减小；随着泡沫铝密度的增大，其自身和结构整体的吸能逐渐增加，上面板和芯层壁板的吸能逐渐减少。.(4) 开展了含泡沫填充物杂交夹层结构动态力学行为空中爆炸系列实验研究。通过共计17发系列实验，获得了杂交夹层结构典型失效模式，如面板塑性大变形、面板局部撕裂、面板花瓣撕裂、芯层压缩和屈曲、面板与芯层连接失效等；充分验证了数值模型的可靠性。研究结果表明：填充方式对抗爆性能的影响与载荷强度和结构配置密切相关，PVC泡沫填充杂交夹层结构的抗爆性能较泡沫铝填充杂交夹层结构更优。.(5) 提出了局部爆炸载荷下功能梯度夹芯结构塑性动力响应理论模型。模型同时考虑了芯层的压缩和大变形下膜力的影响，提出了功能梯度夹芯梁的动态屈服面，并引入膜力因子法求得了大变形下功能梯度夹芯梁的塑性动力响应，将理论结果与有限元结果进行对比，验证了理论模型的正确性。.本项研究揭示了含泡沫填充物杂交夹层结构在空中爆炸载荷下的非线性动力响应特征及失效机理，为其工程应用奠定了理论和技术基础。