兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (7): 1954-1965.doi: 10.12382/bgxb.2022.0147
李富荣1, 荣吉利1,*(), 王玺2, 陈子超1, 韦振乾1, 赵自通1
收稿日期:
2022-03-10
上线日期:
2023-07-30
通讯作者:
基金资助:
LI Furong1, RONG Jili1,*(), WANG Xi2, CHEN Zichao1, WEI Zhenqian1, ZHAO Zitong1
Received:
2022-03-10
Online:
2023-07-30
摘要:
研究金属夹芯板在水下爆炸冲击下的动态响应和抗冲击性能,对提升舰船防护能力有重要意义。利用等效水下爆炸冲击加载实验装置对金字塔点阵夹芯板进行实验,得到其动态响应规律;结合Abaqus流-固耦合仿真对实验进行计算,结果与实验误差较小,验证了仿真的有效性,得到了金字塔夹芯板动态响应的三个阶段特征。通过后面板变形和芯层塑性吸能评估了夹芯板的抗冲击性能。针对不同参数的夹芯板,利用仿真分析了其不同的破坏模式;利用多目标优化方法对金字塔芯层参数进行优化。研究结果表明:夹芯板面板总厚度一定时,拥有较薄前面板和较厚后面板的夹芯板抗冲击性能更强;不同粗细的金字塔杆件组成的芯层破坏模式不同,但后面板变形相近;芯层的塑性吸能占比随着冲击载荷的增大而减小;优化后的夹芯板抗冲击性能显著提升,优化结果对金字塔夹芯板的设计具有指导意义。
李富荣, 荣吉利, 王玺, 陈子超, 韦振乾, 赵自通. 水下爆炸载荷下金字塔夹芯板抗冲击性能及破坏模式研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1954-1965.
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参数 | ρ0/(kg·m-3) | C/(m·s-1) | S |
---|---|---|---|
数值 | 998.5 | 1490 | 1.92 |
表1 水的状态方程参数
Table 1 Equation of state parameters for water
参数 | ρ0/(kg·m-3) | C/(m·s-1) | S |
---|---|---|---|
数值 | 998.5 | 1490 | 1.92 |
材料 | A/MPa | B/MPa | C | n | m | tm/K |
---|---|---|---|---|---|---|
6061-T6 | 293.4 | 121.2 | 0.002 | 0.23 | 1.34 | 923 |
表2 6061-T6 Johnson-Cook参数
Table 2 AL6061-T6 Johnson-Cook parameters
材料 | A/MPa | B/MPa | C | n | m | tm/K |
---|---|---|---|---|---|---|
6061-T6 | 293.4 | 121.2 | 0.002 | 0.23 | 1.34 | 923 |
测点 | 实验值/MPa | 仿真值/MPa | 误差/% |
---|---|---|---|
测点A | 62.75 | 54.91 | 12.5 |
测点B | 36.29 | 39.35 | 8.43 |
表3 测点A、B峰值压力实验与仿真对比
Table 3 Peak pressure comparison of points A and B
测点 | 实验值/MPa | 仿真值/MPa | 误差/% |
---|---|---|---|
测点A | 62.75 | 54.91 | 12.5 |
测点B | 36.29 | 39.35 | 8.43 |
网格尺寸/mm | 后面板中心点位移/mm | 运算时间/s |
---|---|---|
0.50 | 16.15 | 22 070 |
0.35 | 16.58 | 40 359 |
0.25 | 16.76 | 70 197 |
表4 不同网格下后面板变形及运算时间对比
Table 4 Comparisons of back panel deformation and operation time under different meshes
网格尺寸/mm | 后面板中心点位移/mm | 运算时间/s |
---|---|---|
0.50 | 16.15 | 22 070 |
0.35 | 16.58 | 40 359 |
0.25 | 16.76 | 70 197 |
靶板类型 | 靶板质量/g | 靶板背部中心点位移/mm |
---|---|---|
金字塔夹芯板 | 410.5 | 16.15 |
实心铝板 | 410.5 | 26.86 |
表5 金字塔夹芯板与实心板变形结果
Table 5 Deformation results of pyramid sandwich panel and solid panel
靶板类型 | 靶板质量/g | 靶板背部中心点位移/mm |
---|---|---|
金字塔夹芯板 | 410.5 | 16.15 |
实心铝板 | 410.5 | 26.86 |
飞片厚度/ mm | 飞片速度/ (m·s-1) | 杆件横截面 边长/mm | 实验结果/ mm | 仿真结果/ mm |
---|---|---|---|---|
8 | 113.07 | 1.0 | 15.85 | 16.15 |
5 | 200.96 | 2.0 | 19.38 | 19.14 |
5 | 124.32 | 3.0 | 10.60 | 10.40 |
5 | 123.98 | 1.5 | 12.45 | 12.36 |
表6 不同工况后面板变形实验与仿真结果
Table 6 Deformations of sandwich panels with different thickness
飞片厚度/ mm | 飞片速度/ (m·s-1) | 杆件横截面 边长/mm | 实验结果/ mm | 仿真结果/ mm |
---|---|---|---|---|
8 | 113.07 | 1.0 | 15.85 | 16.15 |
5 | 200.96 | 2.0 | 19.38 | 19.14 |
5 | 124.32 | 3.0 | 10.60 | 10.40 |
5 | 123.98 | 1.5 | 12.45 | 12.36 |
参数 | 夹芯板编号 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
前面板厚度/mm | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | 1.3 |
后面板厚度/mm | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.7 |
后面板变形/mm | 16.34 | 16.72 | 17.04 | 16.15 | 16.76 | 17.88 | 18.58 |
芯层塑性应变 能/J | 288.6 | 289.0 | 292.0 | 284.7 | 281.2 | 279.1 | 262.2 |
表7 不同厚度面板夹芯板变形情况
Table 7 Deformations of sandwich panels with different thicknesses
参数 | 夹芯板编号 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
前面板厚度/mm | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | 1.3 |
后面板厚度/mm | 1.3 | 1.2 | 1.1 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.7 |
后面板变形/mm | 16.34 | 16.72 | 17.04 | 16.15 | 16.76 | 17.88 | 18.58 |
芯层塑性应变 能/J | 288.6 | 289.0 | 292.0 | 284.7 | 281.2 | 279.1 | 262.2 |
参数 | 夹芯板编号 | ||
---|---|---|---|
8 | 4 | 9 | |
前面板厚度/mm | 0.8 | 1.0 | 1.2 |
后面板厚度/mm | 0.8 | 1.0 | 1.2 |
飞片速度/m·s-1 | 92.14 | 113.07 | 133.45 |
后面板变形/mm | 13.78 | 16.15 | 16.47 |
表8 相同无量纲冲量下夹芯板变形情况
Table 8 Deformations of sandwich panels under the same dimensionless impulse
参数 | 夹芯板编号 | ||
---|---|---|---|
8 | 4 | 9 | |
前面板厚度/mm | 0.8 | 1.0 | 1.2 |
后面板厚度/mm | 0.8 | 1.0 | 1.2 |
飞片速度/m·s-1 | 92.14 | 113.07 | 133.45 |
后面板变形/mm | 13.78 | 16.15 | 16.47 |
杆件横截面 边长/mm | 前面板位 移/mm | 后面板位 移/mm | 芯层压 缩量/mm | 芯层塑性 应变能/J | 芯层吸能 百分比/% |
---|---|---|---|---|---|
1 | 30.16 | 16.15 | 14.01 | 207.63 | 39.66 |
2 | 19.88 | 17.00 | 2.88 | 357.74 | 37.55 |
表9 不同芯层在相同载荷下的仿真结果
Table 9 Simulation results of different core layers under the same load
杆件横截面 边长/mm | 前面板位 移/mm | 后面板位 移/mm | 芯层压 缩量/mm | 芯层塑性 应变能/J | 芯层吸能 百分比/% |
---|---|---|---|---|---|
1 | 30.16 | 16.15 | 14.01 | 207.63 | 39.66 |
2 | 19.88 | 17.00 | 2.88 | 357.74 | 37.55 |
杆件横截面 边长/mm | 飞片速度/ (m·s-1) | 后面板位 移/mm | 芯层压缩 量/mm | 芯层塑性 应变能/J | 芯层吸能 百分比/% |
---|---|---|---|---|---|
1 | 113.07 | 16.15 | 14.01 | 207.63 | 39.66 |
2 | 141.58 | 21.06 | 4.51 | 420.01 | 31.45 |
表10 不同芯层在相同无量纲冲量下的结果
Table 10 Results of different core layers under the same dimensionless impulse
杆件横截面 边长/mm | 飞片速度/ (m·s-1) | 后面板位 移/mm | 芯层压缩 量/mm | 芯层塑性 应变能/J | 芯层吸能 百分比/% |
---|---|---|---|---|---|
1 | 113.07 | 16.15 | 14.01 | 207.63 | 39.66 |
2 | 141.58 | 21.06 | 4.51 | 420.01 | 31.45 |
序号 | b/mm | d/mm | h/mm | u/mm | 序号 | b/mm | d/mm | h/mm | u/mm |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1.34 | 1.09 | 10.2 | 20.5 | 31 | 1.7 | 1.76 | 15.1 | 10.5 |
2 | 1.51 | 1.54 | 10.3 | 15.4 | 32 | 1.09 | 1.8 | 15.4 | 10.3 |
3 | 1.20 | 1.84 | 10.4 | 12.1 | 33 | 1.88 | 1.55 | 15.5 | 12.2 |
4 | 1.09 | 0.90 | 10.6 | 24.5 | 34 | 1.84 | 1.31 | 15.5 | 13.8 |
5 | 1.89 | 1.27 | 10.6 | 17.3 | 35 | 1.28 | 1.74 | 15.8 | 11.2 |
6 | 1.92 | 1.45 | 10.8 | 15.4 | 36 | 1.50 | 1.49 | 16.0 | 12.0 |
7 | 1.24 | 0.96 | 11.1 | 23.3 | 37 | 1.49 | 1.69 | 16.1 | 10.8 |
8 | 1.74 | 1.19 | 11.4 | 18.2 | 38 | 1.82 | 1.01 | 16.1 | 24.1 |
9 | 1.99 | 1.86 | 11.5 | 13.7 | 39 | 1.41 | 1.01 | 16.3 | 18.7 |
10 | 1.18 | 1.29 | 11.6 | 15.0 | 40 | 1.16 | 0.98 | 16.5 | 19.5 |
11 | 1.65 | 1.40 | 11.8 | 15.4 | 41 | 1.36 | 1.08 | 16.6 | 16.3 |
12 | 1.94 | 1.61 | 12.0 | 14.7 | 42 | 1.51 | 1.41 | 16.8 | 12.1 |
13 | 1.00 | 1.55 | 12.1 | 12.8 | 43 | 1.97 | 1.60 | 17.2 | 11.2 |
14 | 1.18 | 0.94 | 12.4 | 21.7 | 44 | 1.96 | 1.78 | 17.2 | 9.80 |
15 | 1.74 | 1.52 | 12.5 | 14.1 | 45 | 1.53 | 1.58 | 17.3 | 11.3 |
16 | 1.80 | 1.11 | 12.6 | 19.0 | 46 | 1.81 | 1.35 | 17.6 | 12.5 |
17 | 1.06 | 0.95 | 12.7 | 20.0 | 47 | 1.63 | 1.22 | 18.0 | 14.5 |
18 | 1.11 | 1.44 | 12.9 | 12.8 | 48 | 1.44 | 1.85 | 18.0 | 10.0 |
19 | 1.56 | 1.40 | 13.0 | 15.0 | 49 | 1.43 | 1.70 | 18.0 | 10.8 |
20 | 1.04 | 0.95 | 13.4 | 22.3 | 50 | 1.25 | 1.67 | 18.1 | 11.5 |
21 | 1.62 | 1.26 | 13.5 | 15.7 | 51 | 1.26 | 1.49 | 18.5 | 12.5 |
22 | 1.39 | 1.23 | 13.6 | 15.6 | 52 | 1.30 | 1.13 | 18.6 | 17.2 |
23 | 1.14 | 1.43 | 13.7 | 12.5 | 53 | 1.33 | 1.34 | 18.6 | 14.2 |
24 | 1.58 | 1.17 | 13.8 | 18.2 | 54 | 1.80 | 1.11 | 18.9 | 15.9 |
25 | 1.77 | 1.89 | 14.0 | 11.1 | 55 | 1.14 | 1.06 | 19.1 | 19.0 |
26 | 1.92 | 1.20 | 14.1 | 18.2 | 56 | 1.67 | 1.03 | 19.3 | 16.4 |
27 | 1.87 | 1.67 | 14.3 | 12.1 | 57 | 1.66 | 1.89 | 19.4 | 10.0 |
28 | 1.37 | 1.37 | 14.7 | 13.3 | 58 | 1.04 | 1.81 | 19.6 | 11.3 |
29 | 1.46 | 1.19 | 14.8 | 14.7 | 59 | 1.69 | 1.64 | 19.9 | 9.98 |
30 | 1.24 | 1.75 | 14.9 | 11.0 | 60 | 1.57 | 1.63 | 19.9 | 11.7 |
表11 LHS抽样点及对应变形结果
Table 11 LHS sampling points and corresponding deformations results
序号 | b/mm | d/mm | h/mm | u/mm | 序号 | b/mm | d/mm | h/mm | u/mm |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1.34 | 1.09 | 10.2 | 20.5 | 31 | 1.7 | 1.76 | 15.1 | 10.5 |
2 | 1.51 | 1.54 | 10.3 | 15.4 | 32 | 1.09 | 1.8 | 15.4 | 10.3 |
3 | 1.20 | 1.84 | 10.4 | 12.1 | 33 | 1.88 | 1.55 | 15.5 | 12.2 |
4 | 1.09 | 0.90 | 10.6 | 24.5 | 34 | 1.84 | 1.31 | 15.5 | 13.8 |
5 | 1.89 | 1.27 | 10.6 | 17.3 | 35 | 1.28 | 1.74 | 15.8 | 11.2 |
6 | 1.92 | 1.45 | 10.8 | 15.4 | 36 | 1.50 | 1.49 | 16.0 | 12.0 |
7 | 1.24 | 0.96 | 11.1 | 23.3 | 37 | 1.49 | 1.69 | 16.1 | 10.8 |
8 | 1.74 | 1.19 | 11.4 | 18.2 | 38 | 1.82 | 1.01 | 16.1 | 24.1 |
9 | 1.99 | 1.86 | 11.5 | 13.7 | 39 | 1.41 | 1.01 | 16.3 | 18.7 |
10 | 1.18 | 1.29 | 11.6 | 15.0 | 40 | 1.16 | 0.98 | 16.5 | 19.5 |
11 | 1.65 | 1.40 | 11.8 | 15.4 | 41 | 1.36 | 1.08 | 16.6 | 16.3 |
12 | 1.94 | 1.61 | 12.0 | 14.7 | 42 | 1.51 | 1.41 | 16.8 | 12.1 |
13 | 1.00 | 1.55 | 12.1 | 12.8 | 43 | 1.97 | 1.60 | 17.2 | 11.2 |
14 | 1.18 | 0.94 | 12.4 | 21.7 | 44 | 1.96 | 1.78 | 17.2 | 9.80 |
15 | 1.74 | 1.52 | 12.5 | 14.1 | 45 | 1.53 | 1.58 | 17.3 | 11.3 |
16 | 1.80 | 1.11 | 12.6 | 19.0 | 46 | 1.81 | 1.35 | 17.6 | 12.5 |
17 | 1.06 | 0.95 | 12.7 | 20.0 | 47 | 1.63 | 1.22 | 18.0 | 14.5 |
18 | 1.11 | 1.44 | 12.9 | 12.8 | 48 | 1.44 | 1.85 | 18.0 | 10.0 |
19 | 1.56 | 1.40 | 13.0 | 15.0 | 49 | 1.43 | 1.70 | 18.0 | 10.8 |
20 | 1.04 | 0.95 | 13.4 | 22.3 | 50 | 1.25 | 1.67 | 18.1 | 11.5 |
21 | 1.62 | 1.26 | 13.5 | 15.7 | 51 | 1.26 | 1.49 | 18.5 | 12.5 |
22 | 1.39 | 1.23 | 13.6 | 15.6 | 52 | 1.30 | 1.13 | 18.6 | 17.2 |
23 | 1.14 | 1.43 | 13.7 | 12.5 | 53 | 1.33 | 1.34 | 18.6 | 14.2 |
24 | 1.58 | 1.17 | 13.8 | 18.2 | 54 | 1.80 | 1.11 | 18.9 | 15.9 |
25 | 1.77 | 1.89 | 14.0 | 11.1 | 55 | 1.14 | 1.06 | 19.1 | 19.0 |
26 | 1.92 | 1.20 | 14.1 | 18.2 | 56 | 1.67 | 1.03 | 19.3 | 16.4 |
27 | 1.87 | 1.67 | 14.3 | 12.1 | 57 | 1.66 | 1.89 | 19.4 | 10.0 |
28 | 1.37 | 1.37 | 14.7 | 13.3 | 58 | 1.04 | 1.81 | 19.6 | 11.3 |
29 | 1.46 | 1.19 | 14.8 | 14.7 | 59 | 1.69 | 1.64 | 19.9 | 9.98 |
30 | 1.24 | 1.75 | 14.9 | 11.0 | 60 | 1.57 | 1.63 | 19.9 | 11.7 |
编号 | b/mm | d/mm | h/mm | 预测结 果/mm | 仿真结 果/mm | 误差/ % |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1.00 | 0.90 | 20.0 | 24.05 | 24.57 | 2.12 |
2 | 2.00 | 1.89 | 19.4 | 8.67 | 8.99 | 3.56 |
3 | 1.65 | 1.50 | 20.0 | 11.15 | 11.72 | 4.86 |
4 | 1.55 | 1.38 | 20.0 | 12.35 | 12.56 | 1.67 |
5 | 1.47 | 1.30 | 20.0 | 13.41 | 13.17 | 1.82 |
表12 部分最优解预测值与仿真值对比
Table 12 Comparison of partial optimal solution prediction and simulation values
编号 | b/mm | d/mm | h/mm | 预测结 果/mm | 仿真结 果/mm | 误差/ % |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1.00 | 0.90 | 20.0 | 24.05 | 24.57 | 2.12 |
2 | 2.00 | 1.89 | 19.4 | 8.67 | 8.99 | 3.56 |
3 | 1.65 | 1.50 | 20.0 | 11.15 | 11.72 | 4.86 |
4 | 1.55 | 1.38 | 20.0 | 12.35 | 12.56 | 1.67 |
5 | 1.47 | 1.30 | 20.0 | 13.41 | 13.17 | 1.82 |
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