泡沫铝衰减冲击波峰值压力的理论及数值分析

为比较系统地了解表面粘贴泡沫铝及其夹芯层对结构上作用冲击波峰值压力的衰减性能与影响因素,运用理论及数值模拟方法分析了泡沫铝及其夹芯层衰减冲击波峰值压力的性能。并讨论了影响泡沫铝及其夹芯层衰减冲击波峰值压力的几个主要因素。研究结果显示,在达到压实应变之前,表面粘贴泡沫铝及其夹芯层能有效地衰减冲击波的峰值压力。达到压实应变后,泡沫铝及其夹芯层对冲击波峰值压力的衰减性能下降。孔洞形式、相对密度对泡沫铝衰减冲击波峰值压力具有明显地影响,面板材料对泡沫铝夹芯层衰减冲击波峰值压力的性能也有一定的影响。要取得较好地衰减冲击波峰值压力的性能需综合考虑以上因素进行优化设计,否则可能出现粘贴的泡沫铝或其夹芯层达不到衰减结构上冲击波峰值压力的目的。     

含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟

含铝炸药能改善能量的输出结构,增强爆轰产物的做功能力,将其应用于水下爆炸,能显著提高水中兵器的爆炸威力和毁伤能力。基于电测法采用PVDF压力传感器开展含铝炸药RL-F和TNT近场水下爆炸冲击波实验,并采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法对其进行模拟;通过将仿真结果与实验值及经验值对比,结果表明采用合理的边界条件、计算参数和有限元模型,CEL方法能准确地模拟含铝炸药和TNT近场水下爆炸冲击波的传播过程;含铝炸药近场水下爆炸冲击波压力衰减速率相对于TNT较缓慢。在验证数值模型合理性的基础上,将数值结果拟合得到TNT近场水下爆炸冲击波峰值压力在6倍装药半径内以及含铝炸药峰值压力在一定比例距离范围内的近似回归公式。     

钢板-泡沫铝-钢板新型复合结构降低爆炸冲击波性能研究

泡沫铝材料具有减振和吸收冲击能量的特点,但是单一的泡沫铝材料强度较低.为降低爆炸冲击荷载对框架底层柱的破坏,在两层钢板中间添加一层泡沫铝材料以构成多层复合抗爆结构,从而实现防爆和衰减冲击波的功能.当爆炸冲击波作用到复合结构时,泡沫铝产生塑性变形被压实,由于泡沫铝冲击波阻抗比较低,能够大大地削弱应力波的强度.在这个过程中,空气冲击波能量被减小,和单层材料相比,防爆能力得到提高.在研究过程中,主要进行了理论研究和LS-DYNA有限元动力分析,计算结果表明钢板-泡沫铝-钢板复合结构具有较好的吸能减振效果,可以运用到地面军事工程结构防爆设计中去,以提高地面军事建筑的战时生存能力.     

飞片厚度对冲击波压力峰值衰减特性的影响分析

针对现有研究没有考虑飞片厚度对冲击波压力峰值衰减特性影响的问题,采用数值仿真的方法,通过建立不同厚度的飞片撞击无氧铜靶板的仿真模型,比较飞片与靶板撞击面脉冲宽度的仿真值和理论计算值,验证了数值仿真模型和仿真结果的可信度。采用最小二乘法对仿真数据进行处理,建立了飞片厚度与冲击波压力峰值指数衰减模型衰减系数之间的定量数学关系式,结果表明飞片厚度对冲击波压力峰值衰减特性的影响比较明显,飞片厚度与衰减系数近似成线性关系,飞片厚度越小,衰减系数越大,冲击波压力峰值的衰减速率越快,为相关实验设计与分析提供了理论参考。     

泡沫铝夹芯结构在油气爆炸荷载作用下的抗爆性能试验研究

为研究泡沫铝夹芯结构对油气爆炸冲击波的衰减性能及影响其性能的因素,设计一种试验测试系统。在模拟坑道内,点燃混合均匀的油气混合物获取爆炸荷载,并通过调节油气浓度比例来控制爆炸荷载大小,对油气爆炸荷载作用下泡沫铝夹芯结构的防护性能进行定量分析。结果表明,当泡沫铝芯层厚度≥10 mm时,泡沫铝夹芯结构对油气爆炸冲击波的衰减效果优于实体金属结构;泡沫铝夹芯结构对油气爆炸冲击波的衰减效果随芯层厚度的增加而提升,但衰减效率呈逐渐减小趋势,试验得出的芯层最优厚度下限为16 mm。     

钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能研究

鉴于泡沫铝材料优异的吸能特性和夹层结构在强度、刚度上的优势,提出了分层结构为钢板-泡沫铝芯层-钢板的抗爆组合板。对厚度为10 cm、7 cm和5 cm的组合板进行了5组不同装药量的爆炸试验,考察了各板在不同装药量爆炸条件下的变形及破坏情况,并对变形破坏过程进行了理论分析。研究表明:组合板承受爆炸冲击荷载时,通过局部压缩变形和整体弯曲变形吸收能量。钢板相同时,适当增大泡沫铝芯层厚度,增强面板与芯层间连接,可提高该组合板的抗爆性能,防止组合板发生剥离,减小其承受爆炸冲击荷载时产生的变形。     

包覆泡沫铝钢梁动态位移的计算及影响因素

为考察运用FSI(流固耦合效应)能否考虑包覆泡沫铝对钢梁在爆炸荷载作用下最大动位移的影响及分析包覆泡沫铝衰减爆炸荷载作用下钢梁最大动位移的影响因素,运用理论及数值模拟方法分析了包覆泡沫铝钢梁在爆炸荷载作用下的动态位移变化情况。在验证理论及数值模拟结果可靠的基础上,对比理论结果与数值模拟计算结果的优缺点,并运用数值模拟分析影响包覆泡沫铝衰减钢梁在爆炸荷载作用下动位移的因素。结果表明:FSI可以考虑包覆材料对爆炸冲击波的衰减作用,但不能反映材料本身变化的影响(如材料厚度、屈服强度等);在计算包覆泡沫铝衰减爆炸荷载作用下钢梁最大动位移时,泡沫铝的厚度、屈服强度均具有最优解;增加刚性面板会放大包覆泡沫铝钢梁在爆炸荷载作用下的最大动位移。     

包覆泡沫铝钢梁动态位移的计算及影响因素

为考察运用FSI(流固耦合效应)能否考虑包覆泡沫铝对钢梁在爆炸荷载作用下最大动位移的影响及分析包覆泡沫铝衰减爆炸荷载作用下钢梁最大动位移的影响因素,运用理论及数值模拟方法分析了包覆泡沫铝钢梁在爆炸荷载作用下的动态位移变化情况。在验证理论及数值模拟结果可靠的基础上,对比理论结果与数值模拟计算结果的优缺点,并运用数值模拟分析影响包覆泡沫铝衰减钢梁在爆炸荷载作用下动位移的因素。结果表明:FSI可以考虑包覆材料对爆炸冲击波的衰减作用,但不能反映材料本身变化的影响(如材料厚度、屈服强度等);在计算包覆泡沫铝衰减爆炸荷载作用下钢梁最大动位移时,泡沫铝的厚度、屈服强度均具有最优解;增加刚性面板会放大包覆泡沫铝钢梁在爆炸荷载作用下的最大动位移。     

应力波在泡沫铝夹层三明治板中传播规律的数值研究

根据 Gibson 理论模型确定出泡沫铝的力学参数,设计出不同密度组合的5种数值计算模型,利用非线性动力学程序 LS-DYNA 研究了爆炸载荷作用下,应力波在泡沫铝夹层三明治板中的传播规律。对其缓冲吸能、衰减应力波特性进行对比分析。研究结果表明：由 Gibson 理论模型确定出的泡沫铝力学参数,在 CrushableFoam 本构模型中能够较好地反映应力波在不同介质界面间的反射与透射情况,与弹性波理论吻合度较高。在总体密度相同的情况下,H-M-S 梯度结构对爆炸冲击波具有更好的缓冲效果。其对应力波的持续削弱能力和爆炸冲击能量的持续吸收能力都要强于其他结构。     

爆炸冲击波在不同介质中传播衰减规律的数值模拟

摘要：采用 ANSYS/LS-DYNA软件对冲击波在水、土、混凝土中的衰减规律进行了模拟研究,由计算得到的压力和能量的曲线,通过分析表明波阻抗对冲击波的初始峰值大小有很大的影响;土中冲击波的持续时间最长,混凝土中冲击波衰减较快;验证了冲击波速和波强度有关,波的强度越大,波速越高;能量的大小和介质的可压缩性有关,土中能量最大,水中能量最小。     

Analysis of foam claddings for blast alleviation

An analytical Load-Cladding-Structure (LCS) model is proposed to investigate the blast alleviation behavior of sacrificial foam claddings. The deformation of the foam subjected to blast loading is derived based on shock wave propagation theory. The coupled global response of the protected main structure is taken into consideration in the study. Two non-dimensional parameters for the foam cladding are introduced. It is seen that the maximum deflection of the protected structure subjected to a certain explosive load varies with the two non-dimensional parameters of the foam cladding. Based on the LCS model, the foam cladding can be appropriately designed to achieve structural retrofit against blast loads. The maximum allowable blast load for the structure with the protection of a particular foam cladding can be predicted. It is concluded that the efficiency of the structural retrofit based on foam materials depends on the properties of the blast load, the foam cladding as well as the protected structure.     

Energy absorption of double-layer foam cladding for blast alleviation

In the present study, a double-layer foam cladding is proposed to fulfill different structural protection purposes. The energy absorption capacity of the double-layer foam cladding under blast load is analytically derived based on a rigid-perfectly plastic-locking foam model. Different configurations of the layered foam cladding are studied. The maximum absorbed energy and the maximum blast impulse that can be resisted by the cladding are calculated. Numerical simulation with finite element method is also carried out. Good agreement is found between the analytical and the numerical results. The present analytical solution of the energy absorption capacity of the double-layer foam cladding can be effectively used for sacrificial foam cladding design.     

Blast impact response of aluminum foam sandwich composites

Military and civilian structures can be exposed to intentional or accidental blasts. Aluminum foam sandwich structures are being considered for energy absorption applications in blast resistant cargo containers, ordnance boxes, transformer box pads, etc. This study examines the modeling of aluminum foam sandwich composites subjected to blast loads using LS-DYNA software. The sandwich composite was designed using laminated face sheets (S2 glass/epoxy and aluminum foam core. The aluminum foam core was modeled using an anisotropic material model. The laminated face sheets were modeled using material models that implement the Tsai-Wu and Hashin failure theories. Ablast load was applied using the CONWEP blast equations (*LOAD_BLAST) in LS-DYNA. This paper discusses the blast response of constituent S2-glass/epoxy face sheets, the closed cell aluminum foam core as well as the sandwich composite plate.     

Energy absorption of graded foam subjected to blast: A theoretical approach

Energy absorption of graded foam subjected to blast is investigated, in which the high velocity crushing of foam is modeled with shock theory and rigid-perfectly-plastic-locking idealization. The characteristics of a typical blast are taken into account when determining the foam density profile. Different from the homogeneous foam, the graded foam density variation is designed largest at the loading end and smallest at the supporting end, with an exponential decay in between. It is found that, subjected to the same blast load, the total input energy, in fact the energy to be dissipated by the cladding, decreases with increasing density gradient. The final foam deformation with larger density gradient is smaller.     

基于碰撞安全性的泡沫铝填充矿用救生舱优化及性能分析

为提高矿用救生舱的碰撞安全性,设计一种泡沫铝填充矿用救生舱。利用ANSYS Workbench的参数优化模块,以舱体的加速度、变形及吸能大小为优化目标,对舱体的结构参数和泡沫铝的材料性能参数进行优化。对优化后的泡沫铝救生舱的碰撞安全性进行分析,结果表明泡沫铝救生舱在质量和最大等效应力均有所降低的前提下,泡沫铝救生舱碰撞时的最大变形和最大加速度得到显著降低并且舱体吸收的能量得到大幅提升,证明泡沫铝填充救生舱具有更佳的碰撞性能可以提高其安全性。     

泡沫铝夹层结构复合材料低速冲击性能

以泡沫铝为夹芯材料,玄武岩纤维(BF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料为面板,制备夹层结构复合材料。研究纤维类型、铺层结构和芯材厚度对泡沫铝夹层结构复合材料冲击性能和损伤模式的影响规律,并与铝蜂窝夹层结构复合材料性能进行对比分析。结果表明:BF/泡沫铝夹层结构比UHMWPE/泡沫铝夹层结构具有更大的冲击破坏载荷,但冲击位移和吸收能量较小。BF和UHMWPE两种纤维的分层混杂设计比叠加混杂具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫铝厚度的增加,夹层结构复合材料的冲击破坏载荷降低,破坏吸收能量增大。泡沫铝夹层结构比铝蜂窝夹层结构具有更高的冲击破坏载荷,但冲击破坏吸收能量较小;泡沫铝芯材以冲击部位的碎裂为主要失效形式,铝蜂窝芯材整体压缩破坏明显。     

中低应变率下闭孔泡沫铝动态力学性能研究

为探索闭孔泡沫铝的动态力学性能与吸能特性,基于万能材料试验机和高速液压伺服材料试验机在常温下分别对闭孔泡沫铝在准静态和中应变率下(0.001~100s^-1)的动态力学性能进行了测试,分析了不同应变率、不同相对密度和不同泡沫铝基体特性下闭孔泡沫铝的应力应变曲线特征和吸能特性变化。研究结果表明:中低应变率下的纯铝基体泡沫铝并不具备应变率效应,高脆性、相对密度较小的泡沫铝具备更好的吸能特性,塑性和脆性基体泡沫铝变形带分别呈现“V”形和“X”形,脆性基体泡沫铝同样不具备应变率效应。     

面向星球探测的高速撞击穿透器缓冲防护设计与仿真分析

高速撞击穿透器以碰撞的方式嵌入天体内部,由于其着陆速度大,碰撞产生的过载严重,为了保证科学载荷在碰撞后能正常工作并且足够灵敏,必须对其进行减振防护。该研究对穿透器的减振结构进行设计,采用非线性有限元技术对穿透器的侵彻过程进行仿真分析,确定了穿透器的着陆速度,并研究了主要减振结构,即泡沫填充铝薄壁管,在碰撞载荷作用下的动态响应和能量吸收问题。从分析结果看,泡沫铝填充薄壁管在隔冲效率和能量吸收方面有较好的效果。     

成层式铝蜂窝夹芯结构冲击响应试验研究

以牺牲层设计为背景,提出一种成层式铝蜂窝夹芯结构。通过两种能级的落锤冲击试验,得到不同组合试件的局部冲击响应结果。根据能量吸收、荷载峰值、冲头位移和背板挠度的对比分析,得出以下结论:结构在相对较低能级(17~83J)的冲击作用下,除了永久塑性变形,也伴随着一定的弹性变形;同时,在芯层质量相同的前提下,可优先选择胞元较小、高度较低的蜂窝作为单层结构的芯层;全贯穿临界值应当介于83~119J之间,在设计牺牲层时,局部冲击的极限能量设计值应当低于该临界值;芯层的相对密度对抗局部冲击性能的影响较为明显;根据牺牲层的设计标准,在本文的局部冲击试验研究范围内,AB、BA、ABA型结构在综合指标上具有相对优势。研究结果可为成层式铝蜂窝夹芯结构在防护工程中的应用提供参考。