【摘 要】
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弹体侵彻复杂防护层时可能产生多次高g值过载,极端环境下测控装置的耐撞性和存活度已经成了制约武器高速发射和深层侵彻的关键性技术瓶颈。在测控模块与弹体之间增加牺牲式的缓冲吸能结构可有效增强元器件的抗冲击性能。但连续多次高g值冲击、弹内狭小空间约束和平稳有序的反馈载荷需求等恶劣服役条件对缓冲结构在极端动载下的动力学响应与优化提出更苛刻的要求。本文以高g值防护中所需抗冲击结构设计为背景,针对泡沫填充圆柱壳
【基金项目】
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国家自然科学基金（12072326）； 中国博士后科学基金（2021T140562）； 中北大学青年学术带头人支持计划（QX202003）；
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弹体侵彻复杂防护层时可能产生多次高g值过载,极端环境下测控装置的耐撞性和存活度已经成了制约武器高速发射和深层侵彻的关键性技术瓶颈。在测控模块与弹体之间增加牺牲式的缓冲吸能结构可有效增强元器件的抗冲击性能。但连续多次高g值冲击、弹内狭小空间约束和平稳有序的反馈载荷需求等恶劣服役条件对缓冲结构在极端动载下的动力学响应与优化提出更苛刻的要求。本文以高g值防护中所需抗冲击结构设计为背景,针对泡沫填充圆柱壳、多胞管以及泡沫填充多胞管三类泡沫填充薄壁结构在中高速冲击下的力学响应开展实验、数值模拟和理论研究,分析结构压溃载荷、能量吸收和变形模式对结构几何参数、冲击速度等因素的依赖规律,研究泡沫填充薄壁结构的能量吸收机制并进行调控优化。本文选用熔体发泡法制备的闭孔泡沫铝平台应力对冲击速度存在微弱的依赖关系,主要由冲击惯性引起。侧限压缩平台应力相比于单轴压缩时提升约5.23MPa和5.72MPa,泡沫填充、增加壁厚和冲击速度均可使薄壁结构产生能量吸收效率更高的手风琴折叠失效模式;等质量夹芯管的MCF和SEA比填充管高0.29-2.72k N和0.38-1.69J/g;填充管（FT）和夹芯管（ST）两种结构平均压溃载荷对管壁厚度和泡沫密度依赖性较大,在60m/s加载范围内两种结构的动态MCF和SEA可分别提升约2.25-3.22k N、1.77-3k N和1.44-1.82 J/g、1.43-2.24 J/g,对变形结构直径分析可知,ST和FT在压缩60%时的平均直径相比圆柱壳分别增大3.99%、5.97%和3.99%、8.34%,结构径向膨胀随冲击速度增大而增大。分析认为耦合效应产生机理主要包括泡沫应力状态的改变、泡沫与管壁间的摩擦效应和管壁径向膨胀变形效应。多胞管（MT）具有平稳的反馈载荷和优异的吸能特性,相比填充结构和夹芯结构具有更大的压缩行程和比吸能,但在60m/s以内的冲击加载下压溃载荷无明显的动态增强效应。MT在准静态加载下外管主要以手风琴模式进行折叠,内管和肋板则主要产生非对称长波折叠。在冲击加载下,外管手风琴折叠模式更规则,且内管产生更多瓣数的金刚石短波折叠,增加了结构的吸能。泡沫填充多胞管（FMT）可有效增加MT的MCF,FMT压溃载荷和能量吸收对加载速度具有明显的依赖性,在当前加载速度范围内MCF提升约26.81%。低密度泡沫填充可在不明显降低（4.07-11.13%）结构比吸能的前提下提高结构动态能量吸收特性。结果表明增加泡沫填充和提高加载速度,均可改善MT结构压溃变形模式、提高结构能量吸收。构建了MT和FMT平均压溃载荷的理论预测模型,但薄壁结构压溃载荷的动态增强系数与速度正相关。结合泡沫填充和多胞化设计并制备了一种改进的泡沫填充多胞薄壁结构OFT,实验表明该结构具有较高的比吸能和动态吸能特性。基于数值模拟开展了高g值冲击响应研究,通过多目标优化获得了40000g幅值、脉宽200us三次高g值冲击下结构参数的最优解。本文针对泡沫填充薄壁结构的研究可为深入理解泡沫-薄壁结构相互作用机制提供依据,为高g值抗冲击防护设计提供技术思路。
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