空中近场爆炸下金属波纹夹层结构动态响应与失效机理研究

Metallic sandwich structures with corrugated cores are new type structures which may be used in naval vessiles. Many mechanical properties of metallic sandwich structures with corrugated cores are quite different from those of traditional stiffened plate structures.The nonlinear mechanical behavior and failure mechanism of metallic sandwich structures with corrugated cores subjected to near-field explosions in air are key scientific problems to be sloved. The main contents of this research contain: 1）the analysis of the property of near-field air blast loads imposing on metallic sandwich structure with corrugated cores. 2）the investigation on nonlinear mechanical behavior and failure mechanism of metallic sandwich structure with corrugated cores under near-field air blast. 3）the experimental studies on near-field air blast load and nonlinear mechanical behavior of metallic sandwich structure with corrugated cores. In the study, the air-structure interaction with air compressibility considered, the temperature effects due to plastical large deformation will be taken into account. The general differential quadrature method combined with finite difference method will be employed to analyze the dynamic response of the structures. The failure criteria of metallic sandwich structure with corrugated cores under near-field air blast will be established as well. The above mentioned ideas are new and innovative. The study will reveal the features of nonlinear mechanical behavior and failure mechanism of metallic sandwich structure with corrugated cores subjected to near-field explosions in air. The proposed study certainly has theorical and academic values and provides the solid basis of their engineering application.

金属波纹夹层结构是一种可应用于舰船的新型结构形式，其力学性能与传统加筋板结构有较大不同，其在空中近场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。本项目主要研究内容包括：1）金属波纹夹层结构空中近场爆炸载荷特性研究；2）金属波纹夹层结构空中近场爆炸载荷下的非线性动态响应及失效机理研究；3）金属波纹夹层结构空中近场爆炸载荷及结构非线性动态响应的实验研究。研究拟考虑空气可压缩性的气-固耦合效应、结构塑性变形产生的温度效应，并将一般微分求积法和有限差分法结合应用于夹层结构气-固冲击响应计算，提出建立金属波纹夹层结构在空中近场爆炸下失效判据，研究工作具有创新性。本项研究将揭示金属波纹夹层结构在空中近场爆炸下的非线性动态响应特性及失效机理，具有重要的理论意义和学术价值，并为其工程应用奠定理论基础。

夹层结构作为一种新型轻质结构，具有比强度高、比刚度大、能量吸收效率高和隔振隔音等优异性能，在航空航天、建筑、汽车和船舶等领域应用广泛。这类结构在准静态、撞击和中远场(空中和水下)爆炸载荷作用下的力学行为已获得学术界和工程界极大地关注，相关研究工作开展比较广泛；而在空中近场爆炸载荷作用下的相关研究工作开展并不多，因此，通过开展实验、数值和理论研究，掌握其动力学行为特征及失效机理，具有非常重要的理论意义和实用价值。.本文主要研究工作包括：.(1) 以梯形波纹金属夹层板结构为对象，对其在不同强度空中爆炸载荷作用下动态响应进行实验和数值模拟研究。采用激光焊接技术加工制造了13个实验模型。根据实验结果，获得了这种结构最大变形量和失效模式随爆距和结构尺寸变化的规律，甄别了空中近场爆炸载荷作用下梯形波纹夹层板结构表现出的不同变形/失效模式。通过构建精细数值模型，采用映射技术，准确模拟了爆轰波/冲击波传播过程、冲击波与结构耦合作用过程，得到了这种结构在空中爆炸载荷作用过程中的典型物理量特征，发现了不同于实体板结构的耦合面压力分布特征、塑性应变分布特征以及变形/失效模式，讨论了几何尺寸对其能量吸收特性的影响规律。.(2) 以三角形波纹金属夹层板结构为对象，对其在不同强度空中爆炸载荷作用下动态响应进行实验和数值模拟研究。采用激光焊接技术加工制造了3个实验模型。根据实验结果，甄别了爆炸载荷作用下三角形波纹金属夹层板结构呈现出的变形/失效模式，比较了这种结构与实体板、梯形波纹夹层板结构的抗爆特性，发现三角形波纹夹层板结构在3种强度爆炸载荷下的最大塑性变形量都小于梯形波纹夹层板结构和实体板的最大塑性变形量。研究了三角形波纹夹层板结构几何尺寸对其耦合面压力分布特征和变形模式的影响规律，分析了几何尺寸对其能量吸收特性的影响。.(3) 基于梯形波纹和三角形波纹金属夹层板实验结果，考虑了爆距对爆炸载荷的影响以及芯层相对密度对上面板的支撑作用，开展了用于预测夹层板上面板最大塑性变形的无量纲损伤因子修正工作，发现本文提出的无量纲损伤因子能够有效预测波纹金属夹层板上面板最大塑性变形。