空中爆炸载荷下宏观负泊松比效应梯度杂交夹层结构失效机理研究

Functionally graded hybrid sandwich structure with macro negative Poisson's ratio is a new type of potential structure that may be applied to marine and offshore engineering. Its physical mechanical properties are quite different from those of traditional sandwich structures. The dynamic response and failure mechanism of this new type of sandwich structure subjected to air blast loading are particularly scientific issues to be solved. The main contents of this project contain: 1) research on theoretical and numerical models to predict the failure and plastic dynamic responses. 2) the experimental studies on nonlinear mechanical behavior of functionally graded hybrid sandwich structure with macro negative Poisson's ratio under air blast loading. It proposed to get a systematic acquisition of the specific failure characteristics and also make verification and correction to the established theoretical and numerical models. 3) the influence mechanism of various parameters on the blast resistance and energy absorption including load levels, geometric parameters, functionally graded and foam filling. 4) research on failure criterion of functionally graded hybrid sandwich structure with macro negative Poisson's ratio. Functionally graded hybrid sandwich structure with macro negative Poisson's ratio combines the advantages of negative Poisson's ratio structure, gradient structure and foam core sandwich structure. It has an overall innovation to research on its failure mechanism under air blast loading. This study will reveal the features of nonlinear mechanical behavior and failure mechanism of this new type of sandwich structure 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.

宏观负泊松比效应梯度杂交夹层结构作为一种潜在的新型舰船结构形式，其物理和力学特性与传统夹层结构存在较大差异，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。项目通过建立空爆载荷下宏观负泊松比效应梯度杂交夹层结构数理分析模型，阐明结构的动态响应过程及其塑性动力响应特性；通过开展模型空爆实验，全面系统地获得结构的具体失效特征，验证并修正建立的理论和数值模型；通过开展参数影响规律研究，明确载荷水平、几何参数、芯层角度和厚度梯度变化以及泡沫材料填充对结构抗爆和吸能特性的影响机制。在此基础上，建立宏观负泊松比效应梯度杂交夹层结构动力失效判据。宏观负泊松比效应梯度杂交夹层结构融合了负泊松比效应夹层、梯度夹层以及泡沫夹层结构的优势，开展其在空爆载荷下的失效机理研究具有整体创新性。本项研究将揭示空爆载荷下这种新结构的抗爆特性及失效机理，为其在舰船结构设计中的应用提供理论基础和技术支撑。

本项目针对宏观负泊松比效应梯度杂交夹层结构，通过建立空爆载荷下宏观负泊松比效应梯度杂交夹层结构数理分析模型，阐明了结构的动态响应特性；通过开展空爆实验，系统地获得了结构的具体失效特征，验证并修正了所建立的理论和数值模型；通过开展参数影响规律研究，揭示了载荷水平、几何参数、芯层角度和厚度梯度变化以及泡沫材料填充对结构抗爆和吸能特性的影响机制。项目的主要研究工作如下：.(1) 以钢质双箭矢和内凹六边形蜂窝夹层结构的代表性胞元作为研究对象，对其平面静动态压缩力学行为进行了测试分析，讨论了不同冲击速度下胞元张角变化带来的芯层相对密度改变对双箭矢蜂窝夹层结构压缩力学特性的影响。分析了拉胀蜂窝夹层胞元结构的动态压缩变形过程，探讨了负泊松比值随压缩应变的变化规律。.(2) 以钢质双箭矢蜂窝夹层板结构作为研究对象，采用TNT炸药直接加载的方式开展了其在空爆载荷作用下动态力学行为的实验研究。甄别了不同载荷水平和芯层配置下各部件的失效/变形模式。重点探讨了芯层设计策略对结构失效模式和抗爆性能的影响。发现适当增加芯层高度、负梯度芯层厚度配置以及消除焊接工艺带来的母材强度弱化均能够改善双箭矢蜂窝夹层结构的抗爆性能。.(3) 开展了两种不同载荷水平下不同芯层拓扑形式的正负泊松比蜂窝夹层结构失效模式和综合抗爆性能的对比研究，发现内凹蜂窝夹层结构的抗爆性能优于双箭矢蜂窝夹层结构，其相较于传统直角与外凸六变形蜂窝夹层结构抗爆性能的优越性与外载荷水平密切相关。.(4) 通过甄别上下面板和芯层的失效特征，获得了目标结构在不同载荷水平和芯层设计策略下的失效模式，定性地给出了双箭矢蜂窝夹层结构在近距离空中爆炸载荷下的动力失效判据，绘制了其失效模式图谱。.本项目揭示了典型宏观负泊松比效应梯度杂交夹层结构在空爆载荷下的动态力学行为和失效机理，可为其在舰船抗爆与抗冲击设计领域的应用提供有价值的参考。