纤维增强梯度夹芯复合结构的抗爆性能及失效机理研究

Fiber-reinforced sandwich structures with fiber-metal laminates as face sheets and gradient porous metals as cores provide significant advantages in lightweight design and impact resistance. The dynamic behavior of such structure under intensive loadings is one of the research hotspots in impact dynamics. In this project, the blast-resistance and failure mechanism of fiber-metal laminates and fiber-reinforced sandwich panels will be investigated through the combination way of experiments, numerical simulation, and theoretical analysis. Typical deformation/failure modes will be obtained. The energy dissipation mechanisms and dynamic interaction effects of each part in the structures will be studied. The stress wave propagation laws combined failure mechanisms in gradient cores will be investigated. With the blast- resistance as optimization objective, the geometrical parameters, material parameters and gradient distributions of structures will be optimized. The research of this project will provide theoretical and technical supports for the applications of fiber-reinforced functional gradient sandwich structures in aerospace, high-speed railway and national defense engineering.

以纤维-金属层合结构为面板、梯度多孔金属为芯层的纤维增强夹芯复合结构在多样化、轻量化设计，抗冲击性能等方面有着显著的优势，其在强动载荷作用下动力行为的研究是当前冲击动力学领域的研究热点之一。本项目以纤维-金属层合板及其梯度多孔金属夹芯复合结构为研究对象，通过系统的实验、数值模拟和理论分析对结构的抗爆性能及失效机理进行研究。得到爆炸载荷作用下纤维-金属层合板及其梯度夹芯结构典型的变形失效模式，确定结构各组成部分在变形失效过程中的能量耗散机理及动力耦合效应，给出应力波在结构中的传播衰减规律及相应的波致失效机制，建立爆炸载荷下结构合理的动力学分析模型，以其抗爆性能为优化目标，对纤维-金属层合面板及梯度芯层的几何参数、材料参数、梯度分布方式等进行优化设计，为纤维增强梯度夹芯复合结构在我国航空航天、高速轨道交通、国防工程等领域的应用提供技术支持。

纤维金属层合板及其增强梯度夹芯复合结构在多样化、轻量化设计，抗冲击性能等方面有着显著的优势，其在强动载荷作用下动力行为的研究是当前冲击动力学领域的研究热点之一。本项目以纤维金属层合板及其梯度多孔金属夹芯复合结构为研究对象，通过系统的实验、数值模拟和理论分析对结构的抗冲击性能及失效机理进行研究。通过本项目的研究，得到了爆炸载荷及撞击载荷下不同类型纤维金属层合板（钛合金、铝合金，碳纤维、玄武岩纤维，玻璃纤维，凯夫拉纤维等）的变形失效模式，建立了适应于三维实体单元的2-D编织复合材料的损伤软化失效准则，并编写了适应于有限元软件abaqus分析的子程序VUMAT；给出了纤维金属层合板（玄武岩/铝，碳纤维/铝）增强梯度多孔夹芯结构在爆炸载荷作用下的变形/失效模式，确定了结构各组成部分在变形失效过程中的能量耗散机理及动力耦合效应，分析了纤维-金属层合面板及梯度芯层的几何参数、材料参数、梯度分布方式等对其抗爆性能的影响，给出了应力波在梯度多孔材料中的传播衰减规律，为纤维增强梯度多孔金属夹芯复合结构在我国航空航天、高速轨道交通、国防工程等领域的应用提供技术支持。