轻质梯度金属泡沫夹芯复合结构的爆炸冲击失效与能量吸收机理研究

Light-weight sandwich structure with gradient metallic foam cores is a novel type of multifunctional protective structure with extensive potential applications. It is therefore significant to study its failure mechanism and energy absorption under air blast. Based on experimental investigation, theoretical analysis and numerical simulation, the dynamic behavior of blast-loaded gradient metallic foam core sandwich structures will be studied in this proposal. Typical dynamic failure modes, the dependence between shock resistance performance and key parameters (impulse, face-sheet thickness and core assembly, et al), failure mechanism and energy absorption of gradient metallic foam core sandwich structures will be systematically investigated and analyzed. Then a theoretical model of a sandwich structure with gradient metallic foam cores subjected to blast loading will be developed. Finally, the optimization of a gradient foam core sandwich structure, whose objective is the shock resistance performance with respect to variation parameter of core density, core assembly, core layers and face-sheet thickness, will be conducted. These results are worthy of designing the gradient metallic foam core sandwich structures in essential engineering applications.

轻质梯度金属泡沫夹芯复合结构是一类极具广泛应用前景的新型多功能防护结构，研究其爆炸冲击失效和能量吸收机理有重要的工程应用和学术价值。本项目拟采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的研究手段，研究爆炸加载下梯度金属泡沫夹芯复合结构的动力学行为。分析其典型的动力失效模式，探讨其抗爆炸冲击性能与脉冲载荷幅值和几何构型参量之间的依赖关系，揭示其冲击失效机制和能量吸收机理，建立强动载荷下梯度金属泡沫夹芯复合结构塑性动力行为的理论分析模型。以抗冲击能力为目标，对梯度金属泡沫夹芯复合结构的芯层密度梯度变化、排列组合和分层数，以及面板厚度等关键几何参量进行优化设计。为梯度金属泡沫夹芯复合结构在重大工程应用中的创新设计提供技术支持。

以轻质、超强韧的梯度金属泡沫夹芯复合结构（板和梁）为研究对象，实验研究、理论分析和有限元模拟相结合，研究了爆炸和冲击载荷条件下梯度金属泡沫夹芯复合结构的塑性动力响应和能量吸收机理。主要开展了以下四个方面的研究：1）闭孔铝泡沫的动态压缩力学性能及本构关系；2）爆炸载荷下梯度金属泡沫夹芯结构的动态响应、能量吸收与优化设计；3）金属泡沫子弹撞击载荷下层级梯度金属泡沫结构的冲击力学行为；和4）低速冲击下层级梯度金属泡沫夹芯结构的力学行为与优化设计。给出了不同载荷条件下梯度夹芯结构的典型动力失效模式，讨论了其抗爆炸/冲击性能与关键参量的依赖关系，揭示了其动态失效机理和各组成部件的能量耗散分配机制，基于有限变形情况下拉-弯联合作用的夹芯结构的屈服条件发展了强动载荷下金属泡沫复合夹芯板结构抗冲击性能的理论分析模型，以能量吸收或抗冲击性能为目标开展了梯度金属泡沫夹芯复合结构的优化设计。研究结果可为强动载荷服役条件下梯度金属泡沫夹芯复合结构的防护要求及优化设计提供技术支持。