温度和冲击载荷作用下波纹及其复合增强型夹芯壳的轴压特性及能量耗散机制

In this research, effects of temperature and impact loading on the axial crushing behaviors and energy absorption mechanisms of metallic corrugated and foam or honeycomb reinforced corrugated sandwich cylindrical and truncated conical shells will be systemically studied through structural design, manufacturing, tests, numerical simulations and theoretical analysis, based upon the engineering background of collision protections for the soft landing of space detector. A series of metallic corrugated and reinforced corrugated sandwich shells will be prepared employing molding process or selective laser melting technology. Deformation characteristics, collapse modes, peak load, average crushing load and energy absorption of the sandwich shells in different thermal environment will be explored with the combination of quasi-static and dynamic impacting tests at different temperatures, with numerical calculations. The coupling mechanism among all the constituent components will be revealed, with the crashworthiness of the sandwich shells being assessed. The theoretical method to predict the axial crushing behaviors dependent of temperature and loading rate will be developed based upon the observed collapse modes and deformation characteristics. Furthermore, a method of prefabricating defects will be proposed to increase the uniformity of the load and the efficiency of energy absorption for the sandwich shells. To utilize the corrugated or reinforced corrugated sandwich shells as the soft landing buffers of lunar landers, a design scheme of multi-objective collaborative optimization, for improving energy absorption efficiency and reducing impact load under complicated environment conditions, will be developed.

以深空探测软着陆的碰撞防护为工程背景，本课题采用结构设计、试样制备、试验测试、数值仿真与理论研究等方法，系统研究温度和冲击载荷作用下金属波纹及泡沫/蜂窝填充波纹夹芯圆柱壳和圆锥壳的轴压特性及能量耗散机制。选择模压工艺和选区激光熔融技术制备波纹及其复合增强型夹芯壳，通过高低温度环境下的准静态压缩、中低速落锤冲击和高速轻气炮冲击试验，结合数值仿真计算，揭示温度影响下夹芯圆柱壳和圆锥壳静动态轴压的变形特征、破坏模式、特征载荷（峰值载荷和平均压溃载荷）和能量吸收特性，探究夹芯壳各组件之间的耦合增强机理，评估该类夹芯壳作为缓冲吸能结构的可行性。结合轴压破坏模式和变形特征，建立该类夹芯壳的温度-率相关压溃理论模型。通过预制缺陷，进一步提升结构轴压载荷均匀性和能量吸收效率。面向月球软着陆缓冲吸能的具体应用，针对波纹及其复合增强型夹芯壳结构，提供复杂环境下提高吸能效率和减缓冲击载荷的多目标协同优化方案。

随着交通运输领域的发展，吸能结构的耐撞性研究变得愈发重要。薄壁壳体结构经过合理设计后具有高比吸能、高容积率、变形过程可靠、制备成本低等优势，可广泛应用于交通运输领域。当前对于薄壁金属壳体耐撞性的研究发现，适当增加结构胞元可提升结构的吸能特性。波纹作为一种典型周期性点阵多孔材料，其结构简单、制备工艺成熟、可工业化性强，且具有高比刚度、比强度及优异的抗爆性能。本项目提出系列化的金属波纹夹芯圆柱壳及圆锥壳结构，并引用混杂、梯度、缺陷引入的设计理念强化结构性能。本文主要工作包括以下八个方面：.（1）设计并基于模压成型与曲面箍模定型工艺制备了薄壁金属波纹夹芯壳，并研究了其静动态轴压特性，发现该夹芯结构能量吸收性能最高可达等质量单壁圆柱壳的 2.3 倍。.（2）基于挤压成型与线切割工艺制备得到厚壁波纹夹芯壳，通过准静态压缩实验、动态落锤冲击试验、有限元模拟及理论研究了结构的能量吸收特性。.（3）引入材料混杂设计思想，将泡沫铝填充在波纹夹芯圆柱壳的波纹通道中，获得一种新型的泡沫-波纹复合夹芯圆柱壳。发现泡沫填充大幅提升夹芯壳的能量吸收特性。.（4）以防爆罐体结构为出发点，引入梯度及多层设计强化手段，提出一种用于抵抗内部爆炸载荷的梯度多层波纹夹芯圆柱壳，给出了“内硬外软”的最优梯度设计。.（5）分步模压法制备波纹夹芯圆锥壳并研究其轴向及斜向压缩变形及吸能特性，揭示了结构在碰撞问题中的变形模式、耦合机制和吸能优势，并进行多目标优化设计。.（6）引入层级概念，提出并研究了多层波纹夹芯圆锥壳的耐撞性，揭示了该多层结构的轴压变形和吸能特性。.（7）提出并通过自发泡方式制备了三种类型的PU泡沫填充波纹夹芯圆锥壳结构，并通过实验和有限元方法对其吸能特性和耦合机理等进行了全面深入的研究。.（8）通过预制缺陷可有效降低波纹夹芯壳的碰撞峰值力载荷，并有助于提升吸能特性，进一步改善耐碰撞特性。.该类夹芯壳结构比吸能（单位质量能量吸收）可跨越4kJ/kg~52kJ/kg的较大范围，未来可以适用于各种吸能防护的耐碰撞工程应用场合。