輕質(zhì)鋁泡沫夾芯板抗爆性能仿真與多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、全球戰(zhàn)略局勢(shì)的不斷變化和反裝甲武器的高速發(fā)展對(duì)軍用裝甲車的防護(hù)要求越來(lái)越高。防御性好且輕質(zhì)、機(jī)動(dòng)靈活的新式裝甲結(jié)構(gòu)在軍車防護(hù)領(lǐng)域倍受青睞。金屬泡沫夾層結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)高強(qiáng)、高比剛度的特點(diǎn)以及優(yōu)良的吸能能力和緩沖性能，在現(xiàn)代裝甲防護(hù)領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。本文以此為契機(jī)，采用顯式動(dòng)力學(xué)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(dòng)力響應(yīng)特性，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗爆性多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　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(zhì)鋁泡沫夾芯板在爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng);分析了面板材料對(duì)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(duì)較“硬”背板的夾芯板綜合抗爆性能最好。在此基礎(chǔ)上，定量分析了面板和芯體厚度、芯體密度、炸點(diǎn)高度以及邊界條件對(duì)夾芯板抗爆性能的影響。為進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗爆性，以背板最大變形量和夾芯結(jié)構(gòu)面比吸能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于響應(yīng)面方法，分別在載荷確定和考慮載荷不確定性的條件下對(duì)夾芯板的材料參數(shù)和幾何參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果

3、表明，兩個(gè)抗爆性評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)法協(xié)同改進(jìn)，需要通過(guò)帕累托前沿(Pareto Front)確定最優(yōu)設(shè)計(jì);而且，不同爆炸載荷和不同權(quán)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(zhì)鋁泡沫夾芯平板的響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比。重點(diǎn)研究了曲率半徑對(duì)弧形夾芯板抗爆性能的影響，發(fā)現(xiàn)在研究范圍內(nèi)，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(diào)增加，而背板中心的最大變形量非單調(diào)，存

4、在極大值點(diǎn)?；诖私Y(jié)論，以曲率半徑、面板厚度及芯體厚度和密度為設(shè)計(jì)變量，對(duì)弧形夾芯板進(jìn)行了抗爆性優(yōu)化設(shè)計(jì);分析了目標(biāo)函數(shù)和五個(gè)設(shè)計(jì)變量間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)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(gè)設(shè)計(jì)變量中，芯體密度對(duì)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的影響最大;與初始設(shè)計(jì)相比，Pareto前沿上的設(shè)計(jì)點(diǎn)抗爆性能明顯提高。
　　再次，介紹了梯度鋁泡沫夾芯板的構(gòu)成，研究了分層梯度鋁泡沫夾芯板的芯體梯度排布對(duì)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響。結(jié)果表

5、明，梯度芯體具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，芯體密度呈大小交替分布時(shí)夾芯板的綜合抗爆性能最優(yōu);與等質(zhì)量的均質(zhì)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(chǔ)上，以各層鋁泡沫的密度為設(shè)計(jì)變量，對(duì)梯度鋁泡沫夾芯板進(jìn)行了抗爆性優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示:優(yōu)化設(shè)計(jì)可進(jìn)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(yīng)用在一款軍用汽車的防爆設(shè)計(jì)中，并通過(guò)仿真分析對(duì)比了原車模型和采用鋁泡沫夾芯裝甲的改進(jìn)模型中的假人傷害指標(biāo)。結(jié)果表明，鋁泡