聚脲涂覆三维负泊松比点阵夹层结构在爆炸冲击作用下的耗能机理研究

In order to improve the resistance of warships subjected to explosive shock wave, this project intends to research a kind of polyurea-coated three-dimensional auxetic lattice sandwich panels subjected to air blast. Firstly, The project will start from modeling mechanical properties of auxetic unit cell, which subjected to quasi static compression and high velocity impact loading. At the same time, the effect of different geometric and material parameters on the failure performance and dynamic properties will be also performed. Secondly, on the base of a series of model experiments, the theoretical and numerical models of dynamic responses of auxetic sandwich panels under shock wave of explosion will be set up. The analysis of the energy dissipation principle will be also revealed. At last, the project will respectively establish the single-objective and multi-objective optimization models with optimization targets of minimum deformation of the back plate, maximum absorption energy and minimum mass. The expected results of this project are able to provide support for the design of blast and impact resistance of warships.

本项目以提高舰艇结构抗爆抗冲击性能为研究背景，拟对一种聚脲涂覆的三维负泊松比点阵夹层结构在空中爆炸冲击下的耗能机理开展研究。项目拟从聚脲涂覆的三维负泊松比单元结构的力学性能入手，建立准静态压缩和高速冲击载荷作用下单元结构的力学模型，分析几何和材料参数对单元结构失效模式和动态冲击性能的影响。在此基础上，建立爆炸冲击载荷作用下聚脲涂覆三维负泊松比点阵夹层结构的动态响应计算方法，进而分析冲击能量在结构中的耗散规律。最后，对聚脲涂覆三维负泊松比点阵夹层结构进行优化设计，以背板变形最小、结构吸能量最多和结构质量最小为优化目标，提出单目标和多目标优化设计方法。项目预期成果可为舰艇结构抗爆抗冲击设计提供支撑。

随着对舰武器攻击力的不断提升，对舰艇结构的抗爆防护性能提出了更高的要求。项目综合考虑负泊松比点阵结构与聚脲涂层良好的抗冲击性能，设计一种聚脲涂覆三维负泊松比点阵夹层板结构，研究该结构在空爆冲击下的非线性动态响应规律并揭示其耗能机理，为提升舰船结构的抗爆能力提供参考。.采用增材制造和浸泡工艺制作聚脲涂覆三维负泊松比点阵试验模型，开展准静态压缩试验和弯曲试验。结果表明模型在压缩载荷作用下呈现明显的负泊松比效应。涂覆聚脲后点阵结构的压缩平台应力约为0.6MPa~1.0MPa，总吸能、单位体积变形能和比吸能较未涂覆聚脲模型高1至2个数量级，最大吸能效率和压缩利用率分别可达40.59%和55.15%。.通过霍普金斯杆冲击试验得到聚脲涂覆三维负泊松比点阵夹层结构在碰撞冲击下的动态响应、吸能特性和破坏模式。结果表明：聚脲涂层可使负泊松比点阵夹层结构提高17%以上的总吸能量，显著降低前面板的内凹变形，有效避免芯层大范围的坍塌。.对聚脲涂覆三维负泊松比点阵夹层板开展系列空爆试验，揭示了3种完全不同的变形模式，获得了前板壁压、背板动态应变、加速度和位移的时程曲线，结果表明负泊松比点阵夹层板的动态响应可分为冲击波作用阶段、负泊松比效应阶段、整体变形阶段和振荡阶段。首次通过试验发现了由于负泊松比效应，背板中心位移出现的N型时程曲线。试验还发现了背板内凹“帽子状”变形模式，该变形与冲击方向相反，这种反常的变形模式对于抗冲击防护具有重要意义。试验还揭示了聚脲涂覆三维负泊松比晶格在不同冲击强度下，各胞元的破坏模式及其在晶格中分布规律。.优化研究结果表明，以下面板变形最小为目标时，相对密度为0.1和θ=30°的夹芯板的防护性能最优；以结构面比吸能最大为目标时，相对密度为0.1和θ=60°的夹芯板的防护性能最优；对于相对密度一定的夹芯板而言，两个防护目标下θ=60°的六层夹芯板的防护性能均为最优。即相对密度最小、尺寸系数最小的结构比吸能最大。因此应尽可能降低夹芯单胞尺寸，以达到更优的防护性能。