兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 240539-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0539
韦振乾1, 荣吉利1,*(), 韦辉阳2, 李富荣3, 陈子超1
收稿日期:
2024-07-02
上线日期:
2025-06-28
通讯作者:
基金资助:
WEI Zhenqian1, RONG Jili1,*(), WEI Huiyang2, LI Furong3, CHEN Zichao1
Received:
2024-07-02
Online:
2025-06-28
摘要:
针对泡沫铝夹芯板在水下冲击载荷下的动态响应和能量耗散机制进行深入分析,旨在为舰船和海洋工程结构的防护设计提供科学依据。通过水下爆炸等效冲击试验和流固耦合仿真,验证试验与仿真结果的一致性,量化结构参数不同芯层质量比、面板厚度和泡沫铝密度与冲击载荷对夹芯板抗冲击性能的影响。利用神经网络和遗传算法,对夹芯板结构进行多目标优化。研究结果表明:受到水下冲击载荷后,泡沫铝夹层板出现局部压溃和边界剪切等变形模式;夹芯板质量一定时,存在最佳的芯层质量比和最佳湿面板厚度,且随着无量纲冲量的增大而增大;随着湿面板厚度和芯层密度的降低,芯层压缩变形吸能效率增加;优化后的夹芯板变形和质量均显著减小。
韦振乾, 荣吉利, 韦辉阳, 李富荣, 陈子超. 泡沫铝夹芯板在水中冲击载荷作用下的动态响应与能量耗散[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240539-.
WEI Zhenqian, RONG Jili, WEI Huiyang, LI Furong, CHEN Zichao. Dynamic Response and Energy Dissipation of Foam Aluminum Sandwich Panel Subjected to Underwater Impulsive Loading[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(6): 240539-.
ρw/(kg·m-3) | cw/(m·s-1) | s1 | Γ0 |
---|---|---|---|
958 | 1490 | 1.92 | 0.1 |
表1 水的状态方程参数
Table 1 State equation parameters of water
ρw/(kg·m-3) | cw/(m·s-1) | s1 | Γ0 |
---|---|---|---|
958 | 1490 | 1.92 | 0.1 |
密度/ (g·cm-3) | 杨氏模 量/GPa | 泊松比 | A/MPa | B/MPa | c | n | m |
---|---|---|---|---|---|---|---|
2.7 | 70 | 0.3 | 76 | 190 | 0.0832 | 0.4 | 0.34 |
表2 6160合金铝的材料参数
Table 2 Material parameters of 6160 alloy aluminum
密度/ (g·cm-3) | 杨氏模 量/GPa | 泊松比 | A/MPa | B/MPa | c | n | m |
---|---|---|---|---|---|---|---|
2.7 | 70 | 0.3 | 76 | 190 | 0.0832 | 0.4 | 0.34 |
材料 | 杨氏模 量/GPa | 泊松比 | 密度/ (g·cm-3) | 屈服应 力/MPa | 硬化系 数/MPa | 硬化 指数 |
---|---|---|---|---|---|---|
STEEL 4340 | 205 | 0.29 | 7.85 | 470 | 470 | 0 |
STEEL 4140 | 205 | 0.29 | 7.85 | 1000 | 1615 | 0.09 |
表3 STEEL 4340和STEEL 4140的材料参数
Table 3 Material parameters of STEEL 4340 and 4140
材料 | 杨氏模 量/GPa | 泊松比 | 密度/ (g·cm-3) | 屈服应 力/MPa | 硬化系 数/MPa | 硬化 指数 |
---|---|---|---|---|---|---|
STEEL 4340 | 205 | 0.29 | 7.85 | 470 | 470 | 0 |
STEEL 4140 | 205 | 0.29 | 7.85 | 1000 | 1615 | 0.09 |
压力峰值 | 试验值 | 仿真值 | 理论值 |
---|---|---|---|
pB/MPa | 57.68 | 54.58 | 51.17 |
pC/MPa | 36.98 | 34.88 | 29.62 |
表4 压力峰值比较
Table 4 Comparison of peak pressures
压力峰值 | 试验值 | 仿真值 | 理论值 |
---|---|---|---|
pB/MPa | 57.68 | 54.58 | 51.17 |
pC/MPa | 36.98 | 34.88 | 29.62 |
参数 | 夹芯板编号 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
tw/mm | 0.8 | 0.9 | 1 | 1.1 | 1.2 | 1.25 | 1.3 |
hc/mm | 14 | 12.2 | 10.4 | 8.6 | 6.8 | 5.9 | 5.0 |
η/% | 49.3 | 42.5 | 36.6 | 30.3 | 23.9 | 20.8 | 17.6 |
表5 夹芯板结构参数
Table 5 Structural parameters of sandwich panel
参数 | 夹芯板编号 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
tw/mm | 0.8 | 0.9 | 1 | 1.1 | 1.2 | 1.25 | 1.3 |
hc/mm | 14 | 12.2 | 10.4 | 8.6 | 6.8 | 5.9 | 5.0 |
η/% | 49.3 | 42.5 | 36.6 | 30.3 | 23.9 | 20.8 | 17.6 |
参数 | 夹芯板编号 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | |
tw/mm | 0.6 | 0.65 | 0.7 | 0.75 | 0.8 | 0.9 | 1.0 |
hc/mm | 12.2 | 12.2 | 12.2 | 12.2 | 12.2 | 12.2 | 12.2 |
td/mm | 1.2 | 1.15 | 1.1 | 1.05 | 1.0 | 0.9 | 0.8 |
η/% | 42.5 | 42.5 | 42.5 | 42.5 | 42.5 | 42.5 | 42.5 |
表6 夹芯板结构参数
Table 6 Sltructural parameters of sandwich panel
参数 | 夹芯板编号 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | |
tw/mm | 0.6 | 0.65 | 0.7 | 0.75 | 0.8 | 0.9 | 1.0 |
hc/mm | 12.2 | 12.2 | 12.2 | 12.2 | 12.2 | 12.2 | 12.2 |
td/mm | 1.2 | 1.15 | 1.1 | 1.05 | 1.0 | 0.9 | 0.8 |
η/% | 42.5 | 42.5 | 42.5 | 42.5 | 42.5 | 42.5 | 42.5 |
序号 | tw/mm | hc/mm | td/mm | 预测结 果/mm | 仿真结 果/mm | 误差/% |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.76 | 10.65 | 1.07 | 15.17 | 14.82 | 2.37 |
2 | 0.75 | 6.45 | 1.01 | 17.99 | 17.33 | 3.81 |
3 | 0.69 | 6.1 | 0.91 | 18.99 | 18.58 | 2.20 |
4 | 0.65 | 6.15 | 0.73 | 20.63 | 20.79 | 0.77 |
5 | 0.55 | 6.15 | 0.49 | 26.06 | 26.78 | 2.69 |
表7 5组最优解最终变形预测值与仿真值对比
Table 7 Comparison between predicted and simulated values of optimal solutions
序号 | tw/mm | hc/mm | td/mm | 预测结 果/mm | 仿真结 果/mm | 误差/% |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.76 | 10.65 | 1.07 | 15.17 | 14.82 | 2.37 |
2 | 0.75 | 6.45 | 1.01 | 17.99 | 17.33 | 3.81 |
3 | 0.69 | 6.1 | 0.91 | 18.99 | 18.58 | 2.20 |
4 | 0.65 | 6.15 | 0.73 | 20.63 | 20.79 | 0.77 |
5 | 0.55 | 6.15 | 0.49 | 26.06 | 26.78 | 2.69 |
序 号 | 结果 | tw/mm | hc/mm | td/mm | 变形/ mm | 质量/ g | 优化百 分比/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 采样结果 | 1.1 | 13.6 | 0.5 | 20.4 | 562.52 | |
优化结果 | 0.63 | 6 | 0.8 | 20.39 | 379.1 | 32.6 | |
1.1 | 9.15 | 0.99 | 14.17 | 561.72 | 30.5 | ||
2 | 采样结果 | 0.4 | 10.5 | 0.7 | 24.01 | 409.84 | |
优化结果 | 0.58 | 6.15 | 0.59 | 24.06 | 335.10 | 18.2 | |
0.65 | 6.1 | 0.94 | 18.7 | 410 | 22.1 |
表8 优化结果与仿真值对比
Table 8 Comparison of optimized results and simulated values
序 号 | 结果 | tw/mm | hc/mm | td/mm | 变形/ mm | 质量/ g | 优化百 分比/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 采样结果 | 1.1 | 13.6 | 0.5 | 20.4 | 562.52 | |
优化结果 | 0.63 | 6 | 0.8 | 20.39 | 379.1 | 32.6 | |
1.1 | 9.15 | 0.99 | 14.17 | 561.72 | 30.5 | ||
2 | 采样结果 | 0.4 | 10.5 | 0.7 | 24.01 | 409.84 | |
优化结果 | 0.58 | 6.15 | 0.59 | 24.06 | 335.10 | 18.2 | |
0.65 | 6.1 | 0.94 | 18.7 | 410 | 22.1 |
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doi: 10.12382/bgxb.2022.0729 |
doi: 10.12382/bgxb.2022.0729 |
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