爆炸载荷作用下多孔金属夹芯壳结构的力学行为及其多功能优化设计

多孔金属夹芯壳结构由于其芯层材料的良好可设计性，优异的吸能减震特性，可同时满足电磁屏蔽、隔热隔音和各种特殊外形设计使其具有结构－多功能一体化特征，在空天飞行器、高速轨道车辆、高速舰船、核工程等领域具有重要的应用前景。强动载荷下多孔金属夹芯壳结构冲击力学行为研究还没有深入进行，本研究试图建立发展和完善多孔金属夹芯壳结构在爆炸载荷作用下的塑性动力响应分析模型，给出其动力失效模式、探讨夹芯壳结构的能量耗散机理和破坏机制，研究用金属泡沫子弹撞击加载替代爆炸加载方式的可行性，建立比较完备的多孔金属夹芯结构抗冲击性能测试平台。了解压缩冲击波在多孔金属中的传播特性及最大峰值应力与载荷强度、作用时间、材料特性以及材料的不均匀程度的关系，给出力/应力增强的相关条件，以其抗冲击性能为优化目标，对其几何参数、力学性能参数进行优化设计，为多孔金属夹芯壳结构的多学科优化设计以及抗冲击防护评估等方面提供技术支持。

(1）研究爆炸载荷作用下多孔金属夹芯壳的动力响应是本课题的重点。进行了爆炸载荷作用下多孔金属夹芯壳的动力响应的实验研究、数值模拟和简化模型理论分析。得到炸药当量、面板厚度、芯层相对密度、功能梯度芯层和曲率半径等对夹芯壳结构变形/失效模式及其后面板挠度的影响关系。.（2）开展了多孔金属夹芯壳受泡沫金属子弹撞击载荷下的动力响应研究。.这一研究有两个目的：研究采用泡沫金属子弹撞击结构代替爆炸载荷的可能性和应用泡沫金属子弹撞击结构的加载方式下结构的抗冲击性能。进行了相应的实验研究和数值模拟分析，研究了泡沫金属子弹撞击载荷与爆炸载荷作用的区别，以及相互替代的条件。发现现有文献认为可采用泡沫金属子弹撞击结构代替爆炸载荷具有比较大的限制，特别是在载荷的强冲击阶段。得到了不同拓扑构型夹芯壳抗冲击能力的规律。.（3）应力波在多孔金属中传播过程中的应力/力增强现象研究.多孔材料的这一特殊性能当其作为防护材料使用时可能造成灾难性的后果，但机理仍不够清楚。在进行动力特性系统研究的基础上，采用二维、三维Voronoi随机模型，结合有限元分析方法开展了泡沫材料在脉冲载荷作用下可能出现的力/应力增强现象的研究。.研究表明，应力增强与脉冲载荷的大小、作用力持续时间、孔壁厚度的均匀程度以及孔壁残缺程度等因素密切相关。分析中新发现，在芯层材料的变形还未达到密实化应变时，也可出现应力/力增强现象。.采用非线性弹－塑性弹簧－质量模型替代多孔金属材料，其中弹簧力学能采用相关多孔材料的实验力-位移曲线，代替“Shock”模型中的理想刚塑性曲线, 以揭示材料溃塌过程中的冲击速度效应、缺陷效应和惯性的相互作用等。为多孔金属夹芯结构避开危险激励范围的设计提供技术支持。 .（4）开展梯度多孔金属夹芯壳结构的冲击动力学行为研究.已有研究表明功能梯度泡沫比等质量的均匀泡沫具有更优越的抗冲击性能和能量吸收特性。通过实验研究和数值模对功能梯度夹芯壳结构的能量吸收和抗冲击性能机理开展系统深入的研究，发现靠近冲击端面板的芯层相对密度较大时，夹芯壳结构后面板挠度较小。.（5）开展了金属泡沫子弹撞击多孔金属夹芯梁、拱的动力学行为研究，对比分析了等质量实心梁与蜂窝铝、金属泡沫夹芯梁的抗冲击特性和吸能机制。是强冲击载荷下多孔金属夹芯壳结构动力响应研究的基础性工作。