輕質鋁泡沫夾芯板抗爆性能仿真與多目標優(yōu)化設計.pdf

1、全球戰(zhàn)略局勢的不斷變化和反裝甲武器的高速發(fā)展對軍用裝甲車的防護要求越來越高。防御性好且輕質、機動靈活的新式裝甲結構在軍車防護領域倍受青睞。金屬泡沫夾層結構因其輕質高強、高比剛度的特點以及優(yōu)良的吸能能力和緩沖性能，在現(xiàn)代裝甲防護領域表現(xiàn)出了巨大的應用前景。本文以此為契機，采用顯式動力學有限元方法研究了三種鋁泡沫夾芯板在爆炸荷載作用下的動力響應特性，并對結構進行了抗爆性多目標優(yōu)化設計。
　　首先，利用LS-DYNA軟件研究了六種具有不

2、同面板材料組合的均質鋁泡沫夾芯板在爆炸載荷下的動態(tài)響應;分析了面板材料對夾芯板抗爆性能的影響，發(fā)現(xiàn)具有較“軟”迎爆面板和相對較“硬”背板的夾芯板綜合抗爆性能最好。在此基礎上，定量分析了面板和芯體厚度、芯體密度、炸點高度以及邊界條件對夾芯板抗爆性能的影響。為進一步提高結構的抗爆性，以背板最大變形量和夾芯結構面比吸能為評價指標，基于響應面方法，分別在載荷確定和考慮載荷不確定性的條件下對夾芯板的材料參數(shù)和幾何參數(shù)進行了多目標優(yōu)化設計。研究結果

3、表明，兩個抗爆性評價指標無法協(xié)同改進，需要通過帕累托前沿(Pareto Front)確定最優(yōu)設計;而且，不同爆炸載荷和不同權重分配方案下的Pareto前沿不同。
　　其次，仿真分析了弧形鋁泡沫夾芯板的抗爆性能，并從變形模式等角度與均質鋁泡沫夾芯平板的響應進行了對比。重點研究了曲率半徑對弧形夾芯板抗爆性能的影響，發(fā)現(xiàn)在研究范圍內，曲率半徑影響夾芯板的變形模式;夾芯板的面比吸能隨曲率半徑的增大單調增加，而背板中心的最大變形量非單調，存

4、在極大值點?；诖私Y論，以曲率半徑、面板厚度及芯體厚度和密度為設計變量，對弧形夾芯板進行了抗爆性優(yōu)化設計;分析了目標函數(shù)和五個設計變量間的相關關系。結果表明:具有不同曲率半徑的弧形夾芯板在爆炸載荷下的變形模式不同;五個設計變量中，芯體密度對兩個目標函數(shù)的影響最大;與初始設計相比，Pareto前沿上的設計點抗爆性能明顯提高。
　　再次，介紹了梯度鋁泡沫夾芯板的構成，研究了分層梯度鋁泡沫夾芯板的芯體梯度排布對結構抗爆性能的影響。結果表

5、明，梯度芯體具有很強的可設計性，芯體密度呈大小交替分布時夾芯板的綜合抗爆性能最優(yōu);與等質量的均質鋁泡沫夾芯板相比，梯度泡沫夾芯板抗爆性能顯著提高。在此基礎上，以各層鋁泡沫的密度為設計變量，對梯度鋁泡沫夾芯板進行了抗爆性優(yōu)化設計。結果顯示:優(yōu)化設計可進一步提升梯度鋁泡沫夾芯板的抗爆性能。
　　最后，將鋁泡沫夾芯板應用在一款軍用汽車的防爆設計中，并通過仿真分析對比了原車模型和采用鋁泡沫夾芯裝甲的改進模型中的假人傷害指標。結果表明，鋁泡