泡沫铝/改性环氧树脂复合材料压缩力学性能的试验研究

为实现功能结构一体化,提高泡沫铝复合材料的力学性能和吸能性能,制备硅橡胶改性环氧树脂的高分子材料填充泡沫铝的复合材料。静态压缩试验表明,填充改性环氧树脂的泡沫铝的平台屈服阶段明显抬升,改善泡沫铝的力学性能,提高泡沫铝的吸能能力。     

泡沫铝材料防护性能的数值模拟

为了解不同材料参数对防护结构防护性能的影响,对泡沫铝材料防护性能的数值进行模拟.针对应用AUTOUDYN软件数值模拟单一泡沫铝作防护材料时对爆炸冲击波的衰减特性,设计防护结构为圆柱形的3维实体,根据圆柱形轴对称的特性,建立2维仿真简化模型,采用2维欧拉多物质算法数值模拟单一泡沫铝圆柱形防护结构,得出其对爆炸冲击波的衰减效果.结果表明:泡沫铝对冲击波有着显著的衰减作用,可为泡沫铝在相关复合防护结构中的应用提供参考.     

闭孔泡沫铝压缩行为的有限元仿真

用DEFORM-3D有限元软件对闭孔泡沫铝的压缩行为进行模拟,探讨不同孔隙率和孔径对压缩力学特性的影响,研究孔隙率、孔径对能量吸收和吸能效率的影响。结果表明：在准静态条件下,闭孔泡沫铝的压缩过程存在线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段;闭孔泡沫铝的抗压缩能力、吸收能力随着孔隙率的减小而增强;当孔隙率为50%,孔径分别为1.0、2.0、3.0 mm,孔径对闭孔泡沫铝的压缩性能和吸能性能影响不大;将理想吸能效率曲线和吸能效率曲线结合可以选择合适的缓冲材料,并发挥其最好吸能特性。     

闭孔泡沫铝压缩行为的有限元仿真

用DEFORM-3D有限元软件对闭孔泡沫铝的压缩行为进行模拟,探讨不同孔隙率和孔径对压缩力学特性的影响,研究孔隙率、孔径对能量吸收和吸能效率的影响。结果表明:在准静态条件下,闭孔泡沫铝的压缩过程存在线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段;闭孔泡沫铝的抗压缩能力、吸收能力随着孔隙率的减小而增强;当孔隙率为50%,孔径分别为1.0、2.0、3.0 mm,孔径对闭孔泡沫铝的压缩性能和吸能性能影响不大;将理想吸能效率曲线和吸能效率曲线结合可以选择合适的缓冲材料,并发挥其最好吸能特性。     

泡沫铝复合结构的应力波防护性能研究

为研究泡沫铝复合结构对应力波的防护能力,利用传统和改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对不同相对密度及不同厚度组合的泡沫铝-铝板复合结构进行冲击试验。研究结果表明：泡沫铝作为夹层,可使入射波分多次传到背板,延迟应力波到达时间,降低了应力波强度。随着泡沫铝夹层厚度的增加,应力波衰减效果明显。泡沫铝-铝板复合结构作为面板,应力波的加载方式发生变化,上升沿得到改善,脉冲宽度增大,最大应力幅值降低,同时吸收大量冲击能,是一种良好的应力波防护材料。增大复合结构中泡沫铝厚度,应力波的上升沿时间延长、斜率减小,应力幅值降低,但脉冲宽度变化不大;铝板厚度对应力波传播影响较小。随着泡沫铝相对密度的增加,经泡沫铝-铝板复合结构作用后,应力波的上升斜率减小,最大应力幅值降低,但脉冲宽度和上升沿时间不变。     

多次冲击下泡沫铝动态压缩力学性能试验与本构模型研究

基于分离式霍普金森压杆装置对泡沫铝试样进行多次冲击加载试验,研究泡沫铝在中低应变率下的动态压缩力学性能。通过分析泡沫铝破坏形貌、透波率、应力-应变曲线以及能量吸收效率随冲击加载次数的变化规律,研究了损伤累积对材料动态力学性能以及吸能特性的影响机理。试验结果表明：随着冲击次数的增加,泡沫铝内部胞孔结构逐步崩溃压实,对应力波的衰减作用减弱,弹性极限应力及对应应变均有增强效应,且多次冲击下的损伤累积效应有助于提高理想吸能效率。基于试验所得应力-应变曲线,将损伤累积变量引入Sherwood-Frost方程,建立泡沫铝材料多次冲击下损伤累积本构模型,分析了形状函数参考曲线对应损伤累积能量与多次冲击试验损伤累积能量差值对本构模型准确性的影响,并进行了试验验证。     

泡沫铝的动态压缩性能和吸能性研究

通过测量泡沫铝在动态和准静态压缩条件下的应力 -应变曲线 ,研究了泡沫铝的准静态和动态压缩行为以及不同应变条件下的吸能性 ,并对其应变率效应进行了分析。结果表明 ,在高应变速率和准静态压缩下 ,泡沫铝的σ -ε曲线均表现出弹性变形段、平缓段和密实段三阶段特征 ;泡沫铝的压缩性能具有明显的应变速率敏感性 ,随应变速率的提高 ,流动应力上升 ,吸能性升高     

铝泡沫夹层结构抗爆炸性能仿真分析及优化

对6种铝泡沫夹层结构的抗爆炸性能进行了有限元分析,从变形模式、运动响应和吸能特性等方面对比研究了6种夹层结构的动态响应特性。结果表明铝合金-铝泡沫-高强度装甲钢夹层复合结构的抗爆炸性能最优,且铝泡沫芯体密度对夹层结构的动态响应有较大影响。应用自适应响应面方法,建立了典型夹层结构的基于动力有限元分析的优化设计模型,对夹层结构的面板、背板、芯体厚度进行了整体优化,使铝泡沫夹层结构的抗爆炸性能明显改善,这对抗爆炸结构的工程设计具有一定指导意义。     

泡沫铝镁合金的压缩与吸能性的研究

对用渗流法制备的泡沫铝镁合金进行了准静态压缩实验,测试了其压缩应力-应变曲线,研究了泡沫铝镁合金的准静态压缩力学行为及其吸能性,并与泡沫纯铝的静态压缩性能进行了比较.实验结果表明, 泡沫铝镁合金的压缩过程具有明显的三阶段变形特征,即弹性段、塑性平台段和压实段;随孔径的增加,泡沫铝镁合金的屈服强度升高、吸能量上升.由于铝镁合金的强度远高于纯铝,从而使泡沫铝镁合金的压缩屈服强度及吸能性均显著高于泡沫铝.     

泡沫铝夹芯结构装甲车底板设计与性能分析

为提高装甲车越野机动性、安全防护和乘坐舒适性,取某U型截面装甲车底板为原型,设计泡沫铝夹芯底板,简化理想空气中地雷爆炸冲击波曲线,得到用于装甲车底板爆炸冲击仿真等效压力波数学模型,用多目标优化设计优化泡沫铝夹芯底板,用ANSYS有限元仿真软件,对原型结构和优化后泡沫铝夹芯底板在地雷爆炸载荷作用下的变形、应变、应力、吸能性及地雷爆炸产生的噪声车内声场强度仿真,进行对比分析.结果表明:相较于原型底板,泡沫铝夹芯底板的最大变形、应变、应力、声场强度、质量均有不同程度降低,吸能总量显著提高.证明泡沫铝夹芯底板对增强装甲车越野机动性、安全防护性和乘坐舒适性有效.     

陶瓷/泡沫铝/铝合金抗线性射流侵彻性能分析及结构优化

为探讨新型复合装甲抗侵彻性能,根据应力波传播特性对陶瓷/泡沫铝/铝合金复合结构进行了理论分析,并从不同组合的面、背板厚度比和泡沫铝夹芯厚度两方面,研究了该复合装甲能量吸收规律、应力波衰减规律。结果表明:同一厚度比下,随着泡沫铝厚度的增大,复合装甲背板质点速度与应力波峰值都呈负指数规律减小;同一泡沫铝厚度下,厚度比增大时,泡沫铝及装甲结构吸收的能量先增加后减小,泡沫铝厚度为2.4 mm、厚度比为1.25时,复合装甲结构抗射流侵彻性能最好。     

陶瓷/泡沫铝/铝合金复合装甲抗射流侵彻性能

为研究泡沫铝复合装甲抗侵彻性能,根据应力波传播特性对陶瓷/泡沫铝/铝合金复合结构进行了理论分析。从不同泡沫铝夹芯厚度、相同厚度复合装甲下不同前后板厚度及布置方式和复合装甲倾角三方面研究了该复合装甲能量吸收规律、射流头部剩余速度以及不同倾角下装甲的防护性能。结果表明,泡沫铝作为夹芯层可充分降低复合装甲背板质点速度。同一倾角θ下,随着泡沫铝厚度的增大,复合装甲背板质点速度减小。泡沫铝厚度为2.4 mm时,射流头部剩余速度最低,复合装甲能量吸收最多,抗侵彻性能最优。同一泡沫铝厚度下,随着t_1/t_2值的增大,接触式复合装甲与间隔式复合装甲的射流头部剩余速度均先降低后增加。t_1/t_2=1时,间隔式复合装甲的抗侵彻性能最优。当仅布置方式不同时,间隔式与接触式复合装甲抗射流侵彻性能的差别较小。随着倾角θ的增大,复合装甲的防护性能先增强后降低。倾角为20°时,复合装甲抗射流侵彻性能最优。     

复合结构防爆罐抗爆特性的数值模拟

采用LS-DYNA显式非线动力有限元程序,数值模拟了内置柱壳/组簧和泡沫铝夹层的防爆罐在3 kg TNT爆炸载荷作用下的抗爆性能。结果表明:该防爆罐内壁面压力载荷呈现多次脉动特征。比冲量载荷经历数次阶跃上升。柱壳/组簧结构可以将爆炸能量更加均匀地传递给泡沫铝吸能夹层,在保证防爆罐内筒不发生塑性变形的前提下,可使泡沫铝的吸能效率显著提高。定量分析防爆罐内部各物质、各结构间的能量转化与吸收,表明泡沫铝夹层可通过卸载动能和透射应力波的形式较好吸收、转移内层钢板所获得的冲击能量。     

多层泡沫铝夹芯板的抗爆性能

泡沫铝是一种具有优异吸能性能的多功能材料,多层泡沫铝和钢板组成的夹层具有良好的抗爆能力。为了研究不同密度泡沫铝排序对夹芯板抗爆能力的影响,选取相对密度分别为13%、16.7%、20.4%的三种泡沫铝组成九种不同结构的排列方式。利用LS-DYNA软件进行了爆炸过程的数值模拟,并且对部分结构进行了爆炸作用实验。结果表明,实验和数值模拟结果吻合较好。在爆炸载荷作用下,泡沫铝的变形可以分为三种模式,即弹性变形、塑性变形和胞壁断裂的致密变形;泡沫铝密度递减结构的底板横向挠度比泡沫铝密度递增结构小;并且在同样的爆炸载荷作用下,泡沫铝密度递减结构的透射波强度只有密度递增结构的31.6%;这表明泡沫铝按照密度递减的顺序排列能够提高整体结构的抗爆能力。     

破片与冲击波联合作用下多孔泡沫铝夹芯复合材料板的防护性能

多孔泡沫铝钛合金板不仅克服了传统防护结构质量大、运输不便等缺点,还具有耐疲劳、比强度高等优点,对抗爆防护材料轻质化、高效化具有十分重要的意义。采用有限元仿真分析软件LS-DYNA,对夹芯复合材料板在冲击波与破片联合作用下的失效模式和防护性能展开了数值模拟,对比分析了不同排列方式下泡沫铝夹芯结构对背板变形程度的影响。结果表明：在40 cm爆距下,破片会先于冲击波对靶板进行作用,且破片载荷强度远大于冲击波载荷强度;当厚度方向的结构按照“1 mm厚钛合金面板+10 mm厚泡沫铝+10 mm厚泡沫铝+10 mm厚纤维+1 mm厚钛合金背板”排列时,背板变形位移最小,结构总内能最高,分别为13.9 mm和52.7 kJ,此工况可以更有效地降低结构整体变形程度,吸收面板变形所产生的能量。     

冲击波和破片群联合作用下高强聚乙烯/泡沫铝夹芯复合结构毁伤响应特性

为提高舰船在冲击波和破片群联合作用下抗毁伤能力,提出一种新型高强聚乙烯/泡沫铝夹芯复合结构,旨在采用TNT炸药和预制破片的方式开展其在联合作用下毁伤响应的数值研究。基于有限元软件LS-DYNA,模拟结构在冲击波和破片群联合作用下的动态响应过程,与典型工况的实验结果对比验证数值模型的可靠性。在此基础上,分析特征点的速度与加速度响应以及能量吸收特性,获得结构的毁伤响应特征,进一步探讨面板厚度配置对结构失效模式和塑性变形的影响。结果表明：夹芯复合结构加速度时程曲线中破片和上面板中心点加速度均存在两个明显的峰值,分别是由于破片撞击强度较大的上面板和高强聚乙烯芯层所引起;上面板和泡沫铝在复合结构整体塑性耗散功中占主导;等质量条件下,上下面板等厚的配置在上面板对于破片的速度衰减能力减弱不大情况下,下面板具有足够强的抗弯能力,使得下面板塑性变形最小,具有最优的抗联合毁伤性能。     

横向冲击载荷下泡沫铝夹芯双圆管的吸能研究

采用数值模拟的方法研究了在横向冲击载荷作用下,泡沫铝夹芯双圆管结构的变形模态与吸能性能。分析了泡沫铝夹芯双圆管结构的几何参数、芯层材料的相对密度与冲击速度对其力学行为的影响。结果表明：冲击初始时刻,夹芯双圆管的冲击端由于塑性变形而吸收了大部分能量,之后主要依靠左右两端的弯曲变形来吸收能量;横向冲击载荷作用下,泡沫铝夹芯双圆管的比吸能随着外管直径与内管壁厚的增加或者泡沫铝芯层厚度的增加而增加;而随着外管壁厚与内管直径的增加,泡沫铝夹芯双圆管的比吸能减小;冲击速度小于30 m/s时,夹芯双圆管呈上下、左右对称的变形模态;大于此速度时,呈左右对称的变形模态,夹芯双圆管的比吸能随着冲击速度的增大而增大;芯层材料的相对密度越大,夹芯双圆管结构的比吸能也越大。