爆炸载荷下纤维金属三维复合壳结构的动力学行为研究

Fiber-metal composite structures, which have high strength-to-weight ratio, good damage tolerance, excellent fatigue and impact resistance, provide broad application prospects in engineering field. Their dynamic behaviors under intensive loadings are one of the research hotspots in impact dynamics. In this project, a novel type of fiber-metal composite structure - fiber-metal 3D-composite shell (FMCS) - is proposed and its dynamic behaviors under blast loading will be investigated through experiment, numerical simulation, and theoretical analysis. Typical deformation/failure modes of FMCS will be obtained. The influence of loading parameters, material properties and physical dimensions on the dynamic behaviors of FMCS will be studied. The relationship between meso-level damage and macroscopic deformation/failure will be revealed. The dynamic analytical model will be established and the blast-resistance of FMCS will be optimized based on the model. The research of this project will provide theoretical and technical supports for the applications of fiber-metal composite structures in aerospace, high-speed railway and national defense engineering.

纤维金属复合结构具有高比强度，良好的损伤容限，优异的抗疲劳性、抗冲击性能等特点，其在强动载荷作用下的动力学行为研究是当前冲击动力学领域的研究热点之一。本项目以新型纤维金属“三维复合”壳结构为研究对象，通过系统的实验研究、数值模拟及理论分析，对其在爆炸载荷作用下的动力学行为进行研究。得到纤维金属三维复合壳结构在爆炸载荷下典型的变形失效模式，给出载荷参数、材料参数以及几何参数对其动力行为的影响，明确材料细观损伤机制与结构宏观变形失效之间的演化关系，确定复合壳结构各组成部分的能量耗散机理，建立爆炸载荷下结构合理的动力学分析模型，对其抗爆性能进行优化设计，为纤维金属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。

本项目针对纤维金属三维复合壳结构开展了一系列实验研究工作，主要包括纤维金属三维复合壳结构的制备、准静态力学性质、低速冲击响应、弹丸侵彻响应以及爆炸响应等，在实验基础上建立了纤维金属三维复合壳结构的细观有限元模型分析了参数对结构动力响应的影响。此外，针对纤维金属圆柱壳的内爆响应以及纤维金属复合结构基材的力学行为进行了相应的实验研究工作。通过上述研究，获得纤维金属三维复合壳结构在冲击载荷下典型的变形失效模式，给出载荷参数、材料参数及几何参数对结构整体响应的影响，揭示三维复合壳结构的细观损伤机制及能量耗散机理，明确了“桥接”作用对结构中裂纹扩展的影响，确定了材料细观损伤与结构宏观变形失效之间关系，给出了纤维金属三维复合壳结构抗冲击的优化设计方法，能为纤维金属三维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支持。