摘 要

舰船防护亟需引入具有优良力学性能的新材料新结构，具有负泊松比的金属蜂窝夹芯结构由于其独特的力学性能，具有很高的应用前景。本文通过数值和试验方法，探究了两端固支的负泊松比金属蜂窝夹芯结构梁在高速冲击载荷下动态响应和能量吸收性能，以及胞元相关几何参数对冲击响应特性的影响。

通过设计完成负泊松比蜂窝夹芯梁的高速冲击实验，证实了固支边界条件下内凹六面体的金属蜂窝夹芯梁在高速冲击载荷下，其负泊松比现象真实存在。探究了夹芯梁冲击响应历程，发现夹芯梁发生压入变形，整体变形，回弹后芯层撞击前后面层等阶段，对胞元变形进行分析，发现胞元受冲击区域发生压缩变形，与冲击区域相邻的区域发生拉胀现象，即负泊松比现象，部分胞元出现剪切，断裂现象。

并用有限元软件ABAQUS建立了数值计算模型，对胞元壁厚,冲击速度等影响因素进行讨论，结果表明随胞元壁厚的提升，芯层所占总塑性应变能比例提升等。

研究的核心在于首次在实验上证实了内凹六面体蜂窝夹芯梁在高速冲击载荷下确实存在负泊松比现象，实验设计可作为类似负泊松比结构高速冲击实验的参考，同时夹芯梁与胞元响应过程，变形分析也可为后续研究工作，比如检验数值计算模型提供依据。本文有限元数值计算涉及较少，但仍可作为后续学者开始探究此问题的参考。

关键词：负泊松比金属蜂窝；夹芯结构；高速冲击实验；能量吸收；数值计算

Abstract

It is urgent to introduce new materials and new structures with excellent mechanical properties. The metal honeycomb sandwich structure with negative Poisson's ratio has a high application prospect because of its unique mechanical properties. Based on numerical and experimental methods, the dynamic response and energy absorption capacity of the metal honeycomb sandwich structure beams with negative Poisson's ratio fixed at both ends under high speed impact load are investigated, and the effect of the relative geometric parameters of the cell on the impact response characteristics is also investigated in this paper. The high speed impact experiment of the honeycomb sandwich beam with negative Poisson's ratio was carried out, and it was proved for the first time that the negative Poisson's ratio phenomenon of the metal honeycomb sandwich beam with concave hexahedron existed under the high speed impact load. The shock response history of the sandwich beam is investigated. It is found that the core beam has indentation deformation, integral deformation, and the surface layer before and after the rebound core layer impact. The cell deformation is analyzed, and the compression deformation occurs in the cell impacted area. The region adjacent to the impact area has the phenomenon of tensile expansion, that is, the phenomenon of negative Poisson's ratio, shear and fracture of some cells. The influence factors of cell wall thickness and impact velocity were discussed by finite element software ABAQUS. It was found that with the increase of cell wall thickness, the proportion of core layer to total plastic strain energy increased. The core of the study is that, for the first time, the phenomenon of negative Poisson's ratio of the hollow hexahedron honeycomb sandwich beam under high speed impact load is confirmed experimentally, and the experimental design can be used as a reference for the high-speed impact experiment of similar negative Poisson's ratio structure. At the same time, the deformation analysis of the sandwich beam and the response process of the cell can also provide the basis for further research, such as checking the numerical calculation model. The finite element numerical calculation in this paper is less involved, but it can be used as the initial reference for the following scholars to begin to explore this problem.

Keywords: negative Poisson ratio metal honeycomb; sandwich structure; high speed impact test; numerical calculation

目录

第1章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2研究现状及不足 1

1.3本文主要研究内容 2

1.4本文创新点 3

第2章 试验探究 4

2.1试件的制备 4

2.1.1夹芯梁制备 4

2.1.2泡沫铝子弹选取制备 5

2.2冲击试验平台搭建 6

2.2.1夹芯梁固定装置设计 6

2.2.2测量装置 10

2.2.3防护装置 10

2.2.4校炮 11

2.3实验过程 12

2.3.1实验前处理 12

2.3.2冲击测量过程 12

2.4实验结果 13

2.4. 1夹芯梁变形历程 13

2.4.2负泊松比效应证明 15

2.4.3胞元其他变形 16

2.4. 4应变分析 17

2.5实验小结 18

第3章 数值计算 19

3.1有限元模型建立 19

3.1.1几何模型及属性 19

3.1.2装配 20

3.1.3边界条件 20

3.1.4相互作用 20

3.1.5网格划分 21

3.1.6分析步设置 21

3.1.7提交作业 21

3.2有限元模型验证 22

3.2.1实验比对 22

3.2.2误差分析 23

3.3胞元几何结构影响特性分析 23

3.3.1胞元壁厚影响 23

3.3.2不同扩张角下冲击速度的影响 25

3.4数值计算小结 26

第4章 总结 28

4.1总结 28

4.2不足 28

4.3后续工作 29

致谢 32

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

随着现代兵器技术的发展，大型水面舰船在发挥巨大作用的同时，面临的威胁也越来越严重^[1]。保障其生命力，提高其抗爆，抗冲击能力，成为各个军事强国研究的焦点，对于舰船的防护也因其独特的使用价值和工程价值，受到学者们的广泛研究。

在舷侧设置防护结构，是提高舰船抗爆抗冲击能力的重要方式^[1]，传统的防护装置往往是通过设置空舱液舱等多级防护结构，但结构的重量较大，其同时影响了舰船的浮性，快速性等，尤其对于军舰来说，其综合性能要求更高，更需对其防护结构进行优化。但在舰船防护上，开展的研究还大多是常规材料的研究，解决结构防护性能和防护重量之间的矛盾，随必须引进新式结构防护材料和防护单元。三明治夹芯材料，具有结构重量轻、高比强度、高比刚度、吸能性能好等优点，受到越来越多学者的关注^[2]。在传统的泡沫材料，点阵材料的基础上，具有负泊松比的二维点阵芯层结构因其独特的力学性能，得到一些学者的青睐。泊松比定义为拉伸试验中材料横向应变与纵向应变比值的相反数，负泊松比材料，即拉胀材料，性能表现为在受拉时，其横向发生膨胀; 相反，在受到挤压时横向发生收缩。^[6]负泊松比夹芯材料当收到冲击载荷作用时会受到挤压，材料向冲击区域进行流动，使材料的局部密度更大，同时垂直于冲击方向更多胞元参与到塑性变形过程中，具有更好的吸能抗冲击作用。同时冲击过程中防护结构物的塑性动力响应特性直接关系到舰船结构的安全性评估，亟需对其塑性动力响应进行深入研究，为工程应用提供理论指导。

1.2研究现状及不足

Lakes等^[3]对负泊松比铜泡沫，和传统铜泡沫探究，发现拉胀铜泡沫具有更高的屈服强度。张新春等^[4]研究了负泊松比相应蜂窝材料面内冲击问题，发现名义应变一定条件下提高冲击速度，材料表现出更强的能量吸收能力； Yang^[5]和Qi^[6]研究了负泊松比金属蜂窝夹芯结构的弹道冲击性能，研究结果发现负泊松比铝蜂窝夹芯结构比正泊松比铝蜂窝夹芯结构具有更加优秀的抗弹道冲击性能。在爆炸冲击响应研究中，Grujicic^[7]和Imbalzano^[8]研究了芯层胞元结构的变形与失效模式，并发现负泊松比蜂窝夹芯结构后面层应力比正泊松比蜂窝夹芯结构小，且吸收更多冲击能量，具有更优秀的抗爆抗冲击性能。Jin等^[9]研究了胞元壁厚梯度变化的负泊松比蜂窝夹芯板的爆炸冲击响应问题，结果表明梯度负泊松比蜂窝芯层比壁厚均匀芯层具有更优秀的抗冲击能力。通过与实体梁爆炸冲击变形的对比研究，崔世堂等^[10]发现负泊松比蜂窝夹芯梁在加载冲量较大芯层塑性变形区域更大，其变形挠度小于实体梁。

试验层面，Qi等^[11]采用环氧树脂对折叠铝合金板材进行胶接制备负泊松比铝蜂窝芯层，芯层胞元的水平结构壁厚是倾斜结构壁厚的两倍。爆炸冲击实验过程中负泊松比蜂窝夹芯板放置在混凝土结构上，实验和有限元计算结果表明负泊松比蜂窝夹芯结构比正泊松比蜂窝夹芯结构具有更优秀的抗冲击性能。然而该爆炸实验仅仅研究了后面层支撑且周边自由的负泊松比金属蜂窝夹芯结构冲击响应；后面层自由和周边固支负泊松比金属蜂窝夹芯结构的复杂动力响应研究未见报道。

最新的研究进展中，2017年韩会龙^[12]等对负泊松比蜂窝材料进行探究，得到不同冲击速度下影响负蜂窝材料压实应变指标。此项研究对于冲击载荷下负泊松比蜂窝材料的探究就有一定指导意义，却存在仅限于材料层面，并未探究结构层面，冲击载荷下探究仍不明确。

总体来说，负泊松夹芯结构的研究，尤其是负泊松比夹芯结构大都处于静态和准静态，在极端加载条件下的探究还十分匮乏，试验探究少，对其探究具有非常高的实际工程应用价值与科学指导意义。

1.3本文主要研究内容

第1章，对舰船防护引入新材料的需求，负泊松比蜂窝夹芯结构在国内外研究现状，当前工作存在的一些问题，进行了综述。