新型点阵金属夹层板在地雷爆炸载荷作用下的动态响应与损伤机制研究

根据工程和科学的需求，本申请主要研究新型强化点阵金属夹层材料在地雷爆炸载荷作用下的动态响应特性和动力学稳定性、伪装层（沙土、碎石等）抛射行为的微细观理论和计算模型、在爆炸波和抛射物强冲击下的能量传播规律及吸收机理以及具有防爆吸能特性的材料微结构微观构型的设计理论。通过本项目的研究，系统地发展地雷爆炸强动载荷下点阵金属夹层材料、微结构尺度与结构分析的理论及强化方法，揭示其宏观性能与材料微细观组织、芯体结构间定量关系，以及材料动态损伤模式和机制，形成对点阵金属夹层结构冲击动力学行为准确描述和表征，实现埋设变形传感器对材料损伤实时监测；通过理论分析、实验研究和数值模拟，提出一套切实可行的分析地雷爆炸产生的爆炸波和抛射物等冲击载荷下点阵金属材料能量吸收和变形损伤机理的方法，给出评价新型强化点阵金属夹层材料能量吸收性能的技术参数。

项目研究立足于车辆防雷抗爆这一国家目标需求，提出了系列的点阵金属复合材料，典型的有泡沫铝填充波纹板、蜂窝铝填充波纹板复合结构。建立该类多孔金属材料静动态力学性能的表征方法和技术，分析其强韧化机制。通过将切割闭孔金属泡沫铝填充到金属点阵孔隙中的技术方法获得了一系列不同尺寸的金属点阵泡沫复合结构，并对其在压缩、三点弯曲及冲击载荷作用下的力学行为进行了实验、理论分析及有限元计算研究。研究结果表明，在静态和相对低速冲击载荷作用下，新型金属点阵泡沫复合结构其单位质量峰值压缩强度及能量吸收效率远高于其对应的空心点阵结构及泡沫铝二者之和，表现出明显的耦合增强效应。对其耦合增强机理研究发现，泡沫铝的填充给予了金属点阵芯体单元足够强的横向支撑，使得其发生横向屈曲变形更加困难，从而迫使其向更加高阶的屈曲变形模式发生转变。通过将切割蜂窝铝填充到金属点阵孔隙中的技术方法获得了另一系列不同尺寸的金属点阵蜂窝复合结构，对其在压缩载荷作用下的力学行为研究结果表明，蜂窝铝与波纹芯体的相互支承作用不仅改变了波纹芯体的屈曲变形模式，还改变了蜂窝铝折叠吸能模式，使得该复合结构的强度和吸能效率与性能最优的中空管结构相当。如何提高装甲车对地雷等爆炸物的防护能力，特别是保障车内人员安全成为受到日益关注的一个多学科交叉研究课题。为此设计和搭建实验室内模拟爆炸冲击的泡沫子弹冲击专用实验平台、室外装药爆炸实验平台，对相关结构进行了细致的实验测试分析，为实际工程应用提供了详实数据和设计参考。还建立了爆炸载荷作用下车底防护及车内人员的响应分析模型，通过有限元软件的计算验证了理论模型的合理性，进一步肯定了防护结构对爆炸冲击载荷的有效防护。项目研究周期内共在国内外学术期刊上发表学术论文12篇，其中SCI收录论文6篇，授权申请发明专利8项，所研制的防雷板材已获得初步应用推广，圆满完成了预定研究任务，达到了预期研究目标。