含纤维/泡沫铝复合结构在破片和冲击波联合作用下失效机理研究

To comprehensive improve the anti-explosion and anti-penetration performance of composite structure, the aluminum foam of outstanding performance on energy absorption and the UHMWPE fiber of outstanding performance on impact resistance are used as core, a new concept of structure design is proposed, and the failure mechanism of composite structure under the combined effect of fragment and shock wave will be investigated. The main research work includes: 1. Investigation the association of micromechanics and macro constitutive of aluminum foam and UHMWPE fiber using the methods of SHPB experiment and numerical simulation with three dimensional voronoi algorithm; 2. The experimental methods of shock wave testing, ballistic penetration, directional explosion-penetration and numerical simulation using finite element program are adopted to research the failure mechanism under the combined effect of fragment and shock wave, as well as the influence factors; 3. Base on the stress wave theory and wave impedance theory, the design of composite structure is optimized. This project will promote the disciplines intersect of explosion mechanics, impact dynamics and material science, et al. and it is of important scientific significance and application value to investigate the application and functional design of lightweight materials and structure in a limited protection space.

本项目以综合提高复合结构抗爆和抗侵彻性能为研究目标，将吸波性能出色的泡沫铝和抗侵彻性能优异的超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE纤维）进行功能组合，创新性地设计一种含纤维/泡沫铝夹芯复合结构，并研究该结构在破片和冲击波联合作用下的失效机理。主要研究内容包括：(1)采用Hopkinson压杆实验和基于三维voronoi算法的细观有限元数值模拟研究泡沫铝和UHMWPE纤维材料细观力学行为及其与宏观本构的关联；(2)采用冲击波测试实验、弹道侵彻实验、定向爆炸-破片侵彻实验和宏、细观有限元数值模拟研究该结构在破片和冲击波联合作用下的失效机理及其影响因素；(3)基于应力波理论和波阻抗理论开展复合结构防护性能的优化设计研究。本项目的开展将促进爆炸力学、冲击动力学与材料学等学科的交叉融合，对轻质材料结构在有限空间防护领域中的应用研究和功能设计具有重要的科学意义和应用价值。

在有限空间爆炸中，爆炸冲击波常伴随着破片共同作用于防护材料，为综合提高防护结构材料抗爆和抗侵彻性能，本研究将吸波性能出色的泡沫铝和抗侵彻性能优异的UHMWPE纤维进行功能组合，创新性地设计一种含纤维/泡沫铝夹芯复合结构，并研究该结构在破片和冲击波联合作用下的失效机理。主要研究内容包括：(1)采用霍普金森压杆实验和基于三维voronoi算法的细观有限元算法研究泡沫铝和UHMWPE纤维材料细观力学行为及其与宏观本构的关联；(2)采用冲击波测试实验、弹道侵彻实验和定向爆炸-破片侵彻实验研究该结构在破片和冲击波联合作用下的失效机理及其影响因素；(3)基于应力波理论和波阻抗理论开展复合结构防护性能的优化设计研究。通过本研究的开展，得到如下结论：.(1) 密度更大的闭孔泡沫铝材料在冲击载荷作用下表现出更加显著的“平台效应”，“平台段”持续越长越有利于泡沫铝吸收冲击能量；相较于试件厚度，试件密度对其力学性能的影响更为显著。.(2) 在冲击波和破片的联合作用下，铝面板主要发生整体凹陷变形和弹孔处剪切冲塞破坏；泡沫铝以自身胞孔结构的压溃变形和胞壁屈服碎裂为主；纤维在破片的侵彻下发生拉伸变形和断裂，并伴随爆炸高温产物对弹孔周边纤维材料的烧结；铝背板则以挠曲变形和瓣裂撕裂破坏为主，并伴随一定程度的扩孔破坏。.(3) 在时序性研究方面，当装药量和其它实验工况一定时，爆距的变化是影响冲击波和破片对复合结构作用时序性的主要因素。在本研究中，当爆距为40cm时，冲击波先于破片作用，当爆距为60cm时，破片先于冲击波作用；随着爆距的增加，破片的分布间距增大、着靶密度减小，也就是说，增大爆距可提高破片分布的散度和均匀性。.本研究的开展将促进爆炸力学、冲击动力学与材料学等学科的交叉融合，对轻质材料结构在有限空间防护领域中的应用研究和功能设计具有重要的科学意义和应用价值。.