点阵结构与材料冲击动力学

1、点阵-陶瓷复合结构抗侵彻性能研究  

  军用车辆对于发展新一代抗侵彻装甲需求迫切。我们提出了一种金属点阵-陶瓷复合三明治结构的理念,将多孔点阵结构与陶瓷材料、环氧树脂材料复合,通过实验以及数值模拟考察其受不同形状弹头弹丸垂直/倾角入射条件下结构的动态响应。结构的抗侵彻极限速度、能量吸收率及破坏机理等方面是研究重点,通过比较各子结构/材料的吸能百分比从而优化结构尺寸参数以达到提高结构的抗侵彻性能的目的。


图1 (a)侵彻实验装置示意图; (b) 点阵-陶瓷复合结构示意图; (c)数值模拟子弹侵彻靶板过程 

2、金属三明治结构抗爆性能研究
       提高车辆对地雷爆炸的防护能力和保障人员安全为目标,我们针对典型的几种金属三明治结构设计了不锈钢波纹板、方孔蜂窝、管状交叉以及波纹-泡沫复合结构为芯体的三明治防雷板,在2 kg TNT装药爆炸下对上述结构的抗爆性能进行了实验研究。本研究中详细分析了几种结构的变形模式特点,考察了后面板位移及加速度,为实际工程应用提供了详实数据和设计参考。
3、泡沫子弹冲击实验
      通过轻气炮发射出泡沫铝子弹冲击结构是在实验室对结构动态冲击性能研究的一种重要手段。借助泡沫子弹冲击实验装置以及高速摄影等手段,我们能够在实验室中考察小尺寸的三明治梁以及板的动态性能,观察其变形模式及破坏机理,从而为实际尺寸结构的设计提供根据和参考。
4、波纹板填充泡沫复合结构动态压缩性能研究

      为了考察波纹板-泡沫复合结构在不同冲击速度下的性能,我们通过数值模拟的手段,观察到几种典型变形模式:准静态模式,过度模式以及冲击波模式;通过动量守恒给出了前面板作用反力的解析表达式,与有限元结果符合良好;揭示了随着冲击速度的提高互相制约的两种强化机制,即填充泡沫的约束作用和动态冲击产生的惯性效应,随着冲击速度的增加,惯性效应产生的强化更加明显,而泡沫的约束作用则逐渐减弱。

图2 (a) 泡沫-波纹板复合结构动态压缩理论模型; (b)冲击速度以及泡沫相对密度对复合效果的影响

5、梯度泡沫动态压缩特性研究

      基于闭孔泡沫铝的微CT扫描二维照片,建立了梯度泡沫金属材料二维细观有限元模型,考虑了不规则胞孔形状及分布的不均匀性,同时考虑了胞孔尺寸和壁厚沿试件高度的梯度分布。分析了梯度泡沫金属材料在动态压缩过程中的变形、弹塑性波的传播和应力从加载端到静止端的传递过程及变化特征,讨论了泡沫金属作为防护材料的吸能机理和吸能特性。

图5梯度泡沫金属梯度方向动态压缩变形图: (a) 正梯度; (b)负梯度