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铝蜂窝夹芯三明治板弹道冲击效应研究

作　者: 张清南
导　师: 张晓伟
学　校: 北京理工大学
专　业: 力学
关键词: 铝蜂窝三明治板弹道冲击吸能
分类号: TQ133.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

三明治夹芯结构由于重量轻、比强度高、比刚度大、隔音隔热性能优异等特点，现已广泛应用在航空航天、高速列车、建筑等领域中。研究表明，蜂窝材料还具有较高的冲击吸能效率，是用作冲击防护的优良材料。目前国内外对夹芯结构的力学性能研究还多以静态和低速撞击为主，对高速冲击下力学性能的研究相对较少。本文采用实验研究、数值模拟和理论分析等多种研究手段，以铝蜂窝夹芯三明治板为对象，对其在弹道冲击作用下的动态力学行为和吸能特性进行分析研究，主要内容如下：首先，在Φ57mm轻气炮系统上实施了一系列速度在100-250m/s之间的弹道冲击实验。研究了在不同冲击速度、面板厚度、芯层密度和弹丸头部形状等条件下，该结构的弹道极限和能量吸收特性。结果表明，铝蜂窝夹芯能有效提高三明治板的抗弹能力，并且对高速弹丸防护能力的提高作用比较显著。在弹速相同的条件下，结构对平头弹丸的能量吸收依次低于圆头和尖头弹丸。其次，利用ABAQUS非线性有限元软件，采用了弹塑性随动强化本构模型，建立了数值计算模型，模拟并验证了实验。通过数值分析，得到了该过程中三明治夹芯板不同部分的能量耗散及变形模式、应变率效应等，并利用该模型模拟研究了攻角侵彻的影响，发现攻角存在较大影响。最后，基于实验及数值模拟结果中不同弹丸侵彻的破坏模式，利用能量法，分析了平头弹和尖头弹侵彻夹层板的能量耗散机制，建立了铝蜂窝夹层板在冲击载荷作用下的半经验吸能模型。本课题的研究成果对飞行器、高速列车、建筑等结构中的蜂窝夹芯三明治板的优化设计及抗弹丸冲击评估都具有重要的指导意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-23
  1.1 引言  9-10
  1.2 蜂窝夹层结构  10-16
    1.2.1 蜂窝夹层板的结构特点  11-12
    1.2.2 夹层板的力学原理  12
    1.2.3 蜂窝夹层板的制备  12-14
    1.2.4 蜂窝夹层板的应用  14-16
  1.3 国内外研究现状  16-20
    1.3.1 国外研究现状  17-19
    1.3.2 国内研究现状  19-20
  1.4 本文主要研究内容  20-23
第2章铝蜂窝夹芯三明治板的准静态力学性能研究  23-35
  2.1 引言  23
  2.2 试件准备  23-25
  2.3 面板材料力学性能实验  25-30
    2.3.1 铝合金面板拉伸试件设计  25-26
    2.3.2 实验过程  26-27
    2.3.3 实验结果及分析  27-30
  2.4 夹层板准静态穿透实验  30-33
    2.4.1 实验准备  30-31
    2.4.2 实验过程  31
    2.4.3 实验结果及分析  31-33
  2.5 小结  33-35
第3章铝蜂窝夹芯三明治板的弹道极限实验研究  35-53
  3.1 引言  35
  3.2 实验装置与测试原理  35-37
    3.2.1 轻气炮实验装置  35-37
    3.2.2 测试原理  37
  3.3 弹道极限实验设计  37-47
    3.3.1 实验方案  37-39
    3.3.2 靶板及固定装置设计加工  39
    3.3.3 实验弹丸及弹托设计加工  39-46
    3.3.4 实验脱壳技术  46-47
  3.4 实验结果及分析  47-52
    3.4.1 冲击速度的影响  48-49
    3.4.2 面板厚度的影响  49
    3.4.3 芯层的影响  49-50
    3.4.4 弹丸头部形状的影响  50-52
  3.5 小结  52-53
第4章铝蜂窝夹芯三明治板的动态侵彻数值模拟  53-79
  4.1 引言  53-54
  4.2 有限元模型的建立与求解  54-58
    4.2.1 几何建模与网格划分  54-55
    4.2.2 定义材料模型及接触  55-57
    4.2.3 加载与求解  57-58
  4.3 模拟结果分析  58-61
  4.4 对照实验模拟  61-71
    4.4.1 不同冲击速度下的侵彻模拟  61-62
    4.4.2 不同面板厚度的侵彻模拟  62-63
    4.4.3 不同芯层的侵彻模拟  63-65
    4.4.4 不同形状弹丸的侵彻模拟  65-71
  4.5 攻角侵彻实验模拟  71-78
    4.5.1 对照实验模拟  71-75
    4.5.2 攻角对夹层板能量吸收的影响  75-78
  4.6 小结  78-79
第5章不同形状弹丸侵彻铝蜂窝夹芯三明治板的破坏模式  79-91
  5.1 引言  79-80
  5.2 平头弹丸侵彻夹层板  80-84
    5.2.1 弹丸侵彻上面板  81-82
    5.2.2 弹丸侵彻铝蜂窝夹芯  82-83
    5.2.3 弹丸侵彻下面板  83-84
  5.3 尖头弹丸侵彻夹层板  84-89
    5.3.1 弹丸侵彻上面板  85-88
    5.3.2 弹丸侵彻铝蜂窝夹芯  88
    5.3.3 弹丸侵彻下面板  88-89
  5.4 小结  89-91
第6章总结与展望  91-93
  6.1 本文总结  91
  6.2 工作展望  91-93
参考文献  93-97
攻读学位期间发表论文与研究成果清单  97-99
致谢  99

铝蜂窝夹芯三明治板弹道冲击效应研究

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