高g值冲击下泡沫金属填充壳多次缓冲机理研究

The foam metal-filled shell has potential application value at cushion energy obsorbtion in high g multi-shock. Aimed at the light mass electronic measurement-control devices in projectile-rocket structure in weapon field suffered the high g shock acceleration harsh condition in penetration, impact, explosion,and based on the demand of control1able ordered force-displacement(or time), the research will theorize, develop and improve the plastic dynamical analytical model of the functional gradient foam aluminum-filled irregular tube shell under high g axial multi impact compressive load, and presnt the critical dynamical failure patternand axial dynamical crush load including the eccentricity effect，study the energy dissipation and failure mechanism of the foam aluminum filled shell with segmented wall thickness and its every part, and analyze the enenrgy transfer process and attenuation rules, the strain rate effect. With the absorbed specific energy and the ratio of peak caution acceleration to flat accelration as the optimization objective, the improved response surface method is used,the multi-objective optimization is peformed at the gemetrical and mechanical pamameters such as the density of each layer foam aluminum, wall thickness and height of each segment shell, at last the penetration test into the multi-layer is carried out in order to settle the passive anti-high g shock of military light mass electronic measurement-control devices , it will afford support to settle the bottle-neck technology of nation key type weapons.

泡沫金属填充壳在高g值多次冲击下的缓冲吸能方面具有潜在应用价值。本项目针对兵器领域经常受到侵彻、爆炸、碰撞等恶劣环境中，弹箭结构内轻质电子测控装置承受的高g值多次冲击加速度、狭小空间的特殊服役条件，根据可控制有序的力-位移变形（或时间）特性要求，建立、发展和完善功能梯度泡沫铝填充异形外管薄壳在高g值轴向多次冲击压缩载荷下的塑性动力行为的解析分析模型，给出其关键动力失效模式和考虑偏心率效应的填充壳轴向动态压溃载荷表达式、探讨异形外管泡沫铝填充壳结构及各组成部分的能量耗散机理和破坏机制。以比吸能、缓冲加速度与激励加速度比值为优化目标，采用改进的响应面方法，对各层泡沫铝的密度、各段壳的壁厚和高度等几何参数及力学性能参数进行多目标优化设计，采用空气炮进行多层靶侵彻实验室验证，以解决军用轻质电子测控装置的高g 值被动冲击防护问题，为国家重点武器型号瓶颈技术的突破提供基础理论依据和技术支持。

本项目针对兵器领域经常受到侵彻、爆炸、碰撞等恶劣环境中，弹箭结构内轻质电子测控装置承受的高g值多次冲击加速度、狭小空间的特殊服役条件，开展泡沫金属填充阶梯壳在高g值多次冲击下的缓冲吸能特性研究，取得了以下研究成果。.1分析了高g值冲击环境特点分析，通过加速度冲击载荷下三次缓冲的仿真结果，从屈曲模态、加速度缓冲效果、吸能效果三个方面进行性能评估，可以得出：整个缓冲过程中，变截面壳的屈曲模态为从厚度较小一端依次屈曲变形的轴对称叠缩模式，这样更好地降低了加速度初始幅值，又能避免后阶段被压实而导致的加速度幅值大幅度增大的情况，因此，变截面壳在多次缓冲方面具有重要的研究意义。.2 以泡沫铝填充铝壳吸收总能量(EA)、体积比吸能(SEA)，以及测控电路承受的加速度幅值(AIP)作为衡量结构抗冲击性能的评价指标，以铝壳厚度和泡沫铝密度为设计变量，利用响应面近似法建立多目标优化问题。通过对多目标优化问题求解，得到最优解。可以看出，对于抗冲击性能的综合要求，多目标优化结果要优于单目标优化结果。.3 完成了泡沫铝填充阶梯圆柱壳的静态压缩、落锤试验，通过对泡沫铝和薄壁铝管的变形模式、力学性能和吸能性能分析，以体积比吸能和平台载荷（缓冲加速度）为约束条件，提出了理想缓冲效率的概念，优选泡沫铝填充薄壁铝壳结构，通过拟合系列试验数据，得到了泡沫填充管的平均载荷的经验公式。.4从屈曲变形、加速度幅值、吸能幅值多个方面，数值仿真了变截面壳的缓冲效果，采用空气炮高g值冲击模拟试验系统对缓冲结构试件在高g值应用环境下进行动态考核，评估其缓冲效果。.5利用分离式霍普金森压杆，研究了泡沫铝材料的动态力学性能和能量吸收。 泡沫铝材料都表现出明显的三阶段变形特征,且具有明显的应变率效应。随着应变和应变率的増大，其形变功也随之增大，说明动态冲击载荷作用下更有利于此泡沫铝的能量吸收。