医疗方舱在战伤救治、灾害救援等方面发挥了重要作用,有效提升了卫勤保障能力。随着方舱技术的不断发展,如何提高大板方舱的荷重比、减轻舱体自重,已成为方舱设计中亟待解决的问题。本文以优化分层梯度蜂窝夹芯板的承载和抗冲击性能为基础,以实现方舱大板轻量化设计为目的,提出了大板方舱的轻量化方案,形成了“设计-分析-优化-评估”的大板方舱轻量化研究方法。主要研究内容如下:1.根据轻质结构的设计理念,基于梯度串联思想和泡沫填充策略提出了分层梯度蜂窝夹芯板的增强设计;设计了准静态压缩和低速冲击试验方案,以研究方舱实际负载工况下分层梯度蜂窝夹芯板的力学性能;基于拉伸和压缩试验获取了夹芯板组成材料的力学性能参数,为后续建立有限元模型提供了数据支持。2.根据试验标准ASTM C365M和ASTM D7766,对分层梯度蜂窝夹芯板进行了准静态压缩试验和低速冲击试验。对比分析了单层蜂窝夹芯板和串联蜂窝夹芯板的压缩响应差异;详细研究了不同芯形的分层梯度蜂窝夹芯板在低速冲击作用下的失效模式和抗冲击性能。研究结果表明:在准静态压缩下,串联蜂窝夹芯板的吸能量优于单层蜂窝夹芯板,梯度串联蜂窝夹芯板的吸能量最优;梯度串联蜂窝夹芯板的屈曲变形总是从蜂窝强度最低的部分开始,而均匀串联蜂窝夹芯板的屈曲变形存在随机性。在低速冲击下,梯度串联蜂窝夹芯板的抗冲击性能优于单层蜂窝夹芯板和均匀串联蜂窝夹芯板;50 J的冲击能下,梯度串联蜂窝夹芯板的第一峰值力相比于单层蜂窝夹芯板提升18.58%,最大冲击位移减少23%;泡沫填充结构中,梯度填充均匀串联蜂窝夹芯板的抗冲击性能最优,与单层蜂窝夹芯板相比,最大冲击位移减少50.98%。此外,本文还研究了半球形冲头和平面冲头对夹芯板冲击损伤的差异,相同冲击能下,平面冲头对夹芯板造成的损伤总是比半球形冲头更严重。研究结果为实现分层梯度蜂窝夹芯板的增强设计明确了设计方向。3.根据试验条件和结果建立并验证了分层梯度蜂窝夹芯板的有限元模型,并针对结构参数研究分析了对其力学性能的影响。研究结果表明:在压缩响应中,通过调整蜂窝顺序可以实现梯度串联蜂窝夹芯板变形顺序的人为控制,减少相邻蜂窝的强度差使其压缩响应更平稳;在低速冲击响应中,改变蜂窝高度会影响夹芯板的第一峰值力,增加迎弹面的厚度可以显著提升夹芯板的抗冲击性能;填充策略为“50-80-60”的梯度填充均匀串联蜂窝夹芯板的抗冲击性能为预设芯形中最优。研究结果为实现方舱大板轻量化设计提供了增强方案。4.基于试验研究和有限元模拟,筛选出抗冲击性能最优的代表芯形,并对其进行多目标优化,实现了方舱大板的轻量化设计;建立了大尺寸均质化方舱大板模型,分析了轻量化方舱大板的适用性;基于铝面板和碳纤维面板的两种方舱大板,形成了大板方舱的轻量化方案。研究结果表明:优化后的分层梯度蜂窝夹芯板力学性能优于传统方舱大板,同时单板重量比传统方舱大板更轻;以6 m固定方舱为例,相较传统大板方舱,铝面板-分层梯度蜂窝夹芯板和碳纤维面板-分层梯度蜂窝夹芯板两种轻量化方案可使方舱重量分别可以减轻16%和26.03%。