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PVDF压力测量特性与水下爆炸近场多孔金属夹芯板动力响应的研究

范志强  
【摘要】:多孔金属材料夹芯结构具有超轻质、高比强度、高比刚度、良好的耗能效率等物理和力学特性,近年来被广泛应用于工程防护、航空航天、建筑和海洋工程等领域,在各种服役环境中发挥良好的工程作用,而有关多孔金属夹芯结构在准静态和动态载荷下的力学行为问题也由此成为学术研究的重点之一。由于多孔金属夹芯结构组成方式的多样性和受到载荷的复杂性,这一课题仍有大量问题需要解决。目前,有关多孔金属夹芯结构在冲击或爆炸等强动载荷作用下的力学行为研究多局限于空中加载条件下,然而该复合结构作为一种具有优异物理特性和力学性能的工程结构,可在海洋防护和舰船工业中得到广泛应用,而目前有关多孔金属夹芯结构在水下爆炸载荷作用下的力学行为及其失效机理的研究较为少见。此外,以PVDF压电薄膜为敏感元件的压力传感器在爆炸肿击压力测量中被广泛地使用,相比于其他测压敏感元件,压电薄膜具有压电常数大、频响宽、信噪比高、便于加工、成本低廉等优点。以其为敏感元件制作的薄膜式压力计,便于布设在结构层间或表面进行压力测试又不干扰结构响应。然而,其灵敏度系数不稳定性及其应用技术方面仍然存在诸多问题,尤其是利用PVDF压力计测量水下爆炸试验中结构流固界面压力时,仍然存在测试技术上的难点。因此,本文针对典型的蜂窝铝夹芯板进行水下爆炸实验,研究其抗水下爆炸性能及动态力学行为。为测试水下爆炸中流固界面上的加载压力,特对夹芯式PVDF压力计不同条件下的界面压力测量特性进行研究与总结。 通过SHPB实验装置对自制夹芯式PVDF压力计进行一系列的标定试验,发现压力计制作工艺引起的传感器内部不平整和压杆端部接触质量是导致其力计灵敏度系数不稳定的主要原因,包括引线覆压区域的应力集中效应、剪切效应和标定实验中压杆端部与压力计接触时敏感元件实际受力面积的不确定性。针对压力计厚度和实验杆端接触情况改进后,得到拟合灵敏度系数K=24.7pC/N。由此可知,PVDF压力的标定和使用过程中,需要考虑压力计的实际受力状况。为此,针对不同情况下结构表面(固-固界面和流固界面)爆炸压力的测量进行试验研究,从压力计横向效应、界面的接触情况和界面两侧介质属性的差异性三个方面分析了不同介质交界面上PVDF压力计的压力测量特性,其中界面两侧介质属性差异性又主要体现在二者波阻抗和可压缩性的差异性。然后为拓展PVDF压力计在水下爆炸压力测试中的应用,以压电薄膜为敏感元件设计并制作一种PVDF型水下爆炸压力传感器,该传感器基本能够满足近场水下爆炸压力测试要求,通过水下标定实验可知其灵敏度系数K=13.84pC/N,进一步证明PVDF压力计的灵敏度系数应根据其实际使用条件进行标定。 针对铝板-蜂窝铝-铝板夹芯结构进行近场水下爆炸实验,并通过一系列对比实验研究各设计参数对结构响应和次生冲击波的影响规律。结果分析中,同时以结构背板最大塑性变形和背部次生冲击波强度来衡量不同配置的复合结构的抗水下爆炸性能,并对水下爆炸载荷作用下的结构变形/失效模式进行了分析总结。结果表明:在保证芯层配置和加载条件相同的条件下,增大面板厚度可以有效降低结构背板最大塑性变形并同时降低次生冲击波强度;当结构面板厚度和加载条件相同时,增大芯层的高度可以有效降低结构背板最大变形,同时能够增大冲击波的衰减行程从而降低背部次生冲击波的强度;增大铝箔厚度意味着增加芯层的相对密度,虽然能够提高芯层压缩过程中吸收的能量从而降低结构背板最大变形,但同时会增大背部次生冲击波的强度;芯层孔边长为单变量因素时,结构最大变形与其并不成单调关系。相同芯层高度和铝箔厚度前提下,增大孔边长度能够提高芯层压缩的容易程度以便吸收更多的能量从而降低背板的变形幅度,但是当芯层孔边长度过大时,芯层极易过早地被压缩至密实化,使得过多的能量传递到背板从而产生更大的变形。总结可知,芯层的密度是影响结构背部次生冲击波强度的主要因素,而结构的能量吸收过程和动态响应则与芯层的设计参数相关。对实验后的样本进行结构变形/失效分析,发现近场水下爆炸作用下,结构的前面板变形较为复杂,当面板越薄、承受爆炸冲量越大时,面板失效形式越复杂,往往呈现出中心区域的局部失效、周边区域的花瓣形褶皱失效以及整个迎爆面的塑性大变形:对于背板而言,所有背板均产生球冠形塑性大变形;芯层则首先呈现出与背板相吻合的弯曲变形和自上而下的渐进压缩形态,压缩高度自中心向外逐渐降低,边界处由于固支约束会形成一圈剪切破坏区,当芯层被完全压实时,可能出现孔外穿透、芯层拉伸断裂等失效形态。最后,通过对等质量的实体板对比实验可知,蜂窝铝夹芯板抵抗变形能力大于等质量的实体板,而且复合结构对于降低背部次生冲击波强度的效果更为明显,蜂窝铝夹芯结构的抗水下爆炸性能明显优于等质量实体结构。 通过应变测量研究水下爆炸作用下前后面板的动态行为,然后进行对应的空中爆炸实验,对比分析水下和空中爆炸载荷下蜂窝铝夹芯板变形失效模式的差异性。结果表明:结构响应初期前面板中心区域的应变为弯矩主导,中心向外区域弯矩主导过程较短而转为面内拉力主导的变形和失效,靠近边界处面板由于固支边界而表现出明显的弯矩效应,前面板中心和边界区域比中间区域应变受弯矩影响大。背板中心区域和边界处的应变为弯矩和面内拉力叠加作用,中间区域则主要为面内拉力产生的正应变。面板应变信号初始时刻都有明显的对应于冲击波的冲击应变,且对于相同芯层配置的结构而言,面板强度越低冲击应变越明显;冲击应变之后面板均开始出现弯矩主导的应变信号,即对于强度较弱的结构,Fleck描述的三阶段解耦模型相对保守。相同药量和爆心距离条件下,水下爆炸作用下的结构失效主要以整体塑性大变形和芯层的渐进压缩为主,而空中爆炸时结构则以面板中心区域的花瓣形撕裂和芯层的横向破坏为主,即同药量和爆心距时,近场空中爆炸对结构的毁伤程度和范围大于水下爆炸。近场空中和水下爆炸载荷作用机理的差异性导致其毁伤模态的不同,其差异性可从冲击波和流固耦合过程两个方面解释:一方面,一般情况下空气中冲击波速度较低,空气冲击波和爆炸产物的作用具有较强的局部性和瞬态性,因此结构易产生局部失效甚至破坏;另一方面,水下爆炸冲击波和气泡载荷能量相当,但二者作用时间尺度差别大,因此水下爆炸时结构受到的能量和冲量的传递过程较为分散,结构更趋向于产生整体变形。 基于上述实验研究结果,应用非线性有限元程序LS-DYNA对水下爆炸载荷下蜂窝铝夹芯结构的动态行为进行数值模拟研究,分析了水下爆炸载荷作用和结构响应过程,探讨了夹芯结构各组件之间的能量传递和吸收规律。以六面体单元划分的实体芯层模型计算中,分别考察面板厚度、芯层密度和高度三个关键参数对结构变形和各组件间能量吸收的影响规律,结果表明计算得到的三个关键参数对背板中心挠度的影响规律与实验结果较为一致;通过结构各组件能量耗散分析发现增大面板厚度会降低结构吸收的总能量和芯层吸收能量在总能量中的比例;随着芯层高度的增大,结构吸收的总能量降低,可以提高结构抗变形能力和芯层吸收能量的百分比;提高芯层密度会减小结构吸收的总能量,但可以提高芯层能量占总能量的比重。采用壳单元划分的蜂窝模型可以较为清晰地描述芯层在变形过程中的渐进屈曲、密实化、塑性大变形和蜂窝面外压缩等失效模式。分析认为面外屈曲压溃和弯矩导致的孔壁转动可能是导致芯层和背板层间失效的主要原因。总结可知,抗爆炸/冲击的结构在设计关键参数时,需要同时考虑结构的抗变形能力、衰减冲击波的性能和各组件的能量吸收能力三个要素。


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