【摘要】：在現(xiàn)代裝甲防護領(lǐng)域眾多新材料、新結(jié)構(gòu)當中,金屬點陣材料夾層結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)而且比強度高、比剛度高的特點以及優(yōu)秀的吸能素質(zhì)和緩沖能力而嶄露頭角,有著不斷向其他領(lǐng)域擴大應(yīng)用的趨勢。本文以此為研究對象,采用顯式動力學有限元方法研究了金屬金字塔型點陣材料夾芯板(Pyramidal Lattice Sandwich Panels, PLSP)在爆炸載荷與彈體沖擊作用下的動力響應(yīng)特性,并對結(jié)構(gòu)的抗爆與抗侵徹性能進行了分析與多目標優(yōu)化設(shè)計。首先,提出了兩種模擬點陣芯體的簡化等效模型,分別是殼單元簡化模型與梁單元簡化模型,梁單元簡化模型可用于PLSP的抗爆性能分析與優(yōu)化,殼單元簡化模型可用于PLSP在侵徹工況下的仿真計算。在簡化模型基礎(chǔ)上,單一變量法得出了上下面板厚度、芯體層厚度、芯體腹桿截面邊長以及炸高對夾芯板抗爆性能的影響。旨在改善夾芯板抗爆性能,以背板最大變形量和夾芯板面比吸能為評價指標,基于代理模型方法,分別在確定爆炸當量值和考慮爆炸當量不確定性的條件下以夾芯板的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)為設(shè)計變量進行多目標優(yōu)化設(shè)計。研究發(fā)現(xiàn),兩個抗爆性能評價指標的改善方向并不是一致的,可在帕累托前沿(Pareto Front)根據(jù)需求選取最優(yōu)設(shè)計；并且提供了考慮載荷不確定性條件下夾芯板抗爆性能的魯棒性優(yōu)化方法。其次,引入鋁合金進行夾芯板材料替換,形成不同材料構(gòu)成的鋼鋁混合夾芯板。研究了四種具有不同材料構(gòu)成的PLSP在爆炸載荷下的動態(tài)響應(yīng)：將四種夾芯板抗爆性能歸一化處理后,發(fā)現(xiàn)四種夾芯板都具有優(yōu)化上升空間。進行了多目標優(yōu)化后,結(jié)果表明,在不同設(shè)計需求下,其中三種夾芯板會相繼成為不同階段的最優(yōu)解集,一種夾芯板的帕累托前沿相比之下不占優(yōu)；鋼鋁混合夾芯板為設(shè)計者提供了更寬泛的最優(yōu)抗爆性能選擇范圍。再次,考慮到爆炸往往伴隨著彈體侵徹的發(fā)生,仿真分析了PLSP的抗侵徹性能,采用了殼單元簡化模型來模擬,并通過與實驗結(jié)果驗證其準確性。主要研究了三種入射位置侵徹歷程,并探討了其對彈道極限的影響,結(jié)果表明,三種位置入射的侵徹過程中變形模式不同；PLSP的彈道極限取決于彈體入射的最弱阻礙彈體入射的位置。最后,仿真分析了曲面金字塔型點陣夾芯板的抗爆性能,重點研究了曲率半徑對曲面夾芯板抗爆性能的影響,結(jié)果顯示曲率半徑的改變會導(dǎo)致夾芯板的變形模式不同；在木文設(shè)置的范圍內(nèi),夾芯板的比吸能和背板最大變形量都隨曲率半徑的增大單調(diào)增加,但R趨向無窮大(平板)的情況背板最大變形量反而減小了,故存在極大值點。由此進行以曲率半徑、上下面板厚度及芯體腹桿截面邊長錄制變量,以曲面夾芯板的抗爆性能為目標的多目標優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明,Pareto前沿上的設(shè)計點的抗爆性能較之初始設(shè)計有了明顯提高。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TJ810.38

【參考文獻】

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