闭孔泡沫铝夹芯板防爆性能研究

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泡沫铝材料因其特殊的多孔结构,使其具备优异的综合性能。其中多孔泡沫结构使其具有良好的吸能平台,对波具有良好的衰减作用。根据该特性国内外学者常常开展冲击、防爆性能的研究。泡沫铝材料本身并不具备防爆吸能的特性,往往需要与钢板复合成为夹芯板才能发挥其优异的吸能作用。目前,国内外对泡沫铝材料的研究多为静态压缩与动态冲击等性能的研究,仅有少部分学者对泡沫铝材料的防爆性能展开研究,研究的方式多为使用数值分析软件进行模拟计算,进行爆炸实验研究的相对较少,主要是由于爆炸实验开展较为困难。在现代战争中,由地雷、炸弹、导弹等装置爆炸所产生的冲击波是对人体及军事设施造成严重伤害的主要因素。对其,国家在军用汽车方面已经提出明确的爆炸防护要求:在能够防护住爆炸所产生的冲击波的同时,减轻装备的重量,提高机动性。泡沫铝夹芯板具备了轻质、防破片伤害、吸收冲击波等优点。为了响应国家的需求号召,本文对闭孔泡沫铝夹芯板防爆性能展开研究。主要的研究内容如下:本文基于实验室正压发泡法制备工艺较为成熟的基础上,使用工业化设备使用正压发泡工艺制备大尺寸(820mm×520mm×150mm)、高性能的泡沫铝材料。经过不断地优化工艺参数,改进工程设备,制备出泡孔可控、一致性高的优质泡沫铝材料,孔径可控范围为1-5mm,密度可控范围为:0.4-0.65g/cm3。选取0.42g/cm3与0.65g/cm3两种密度的泡沫铝材料进行准静态压缩实验。实验结果表明,正压发泡法制备得到的泡沫铝具比普通熔体发泡法制备得泡沫铝材料具有更高的吸能平台。使用LS-dyna模拟软件建立泡沫铝夹芯结构的防爆模型,对不同约束类型、不同芯板密度、不同爆炸当量进行泡沫铝夹芯结构数值模拟计算。研究表明,填充泡沫铝夹芯板的防爆结构相较于未填充泡沫铝的钢板防爆结构具有明显的吸能效果,且填充的泡沫铝密度越大,吸能效果越好;从基板的中心点速度变化可以得出,填充泡沫铝夹芯板的防爆结构能够降低爆炸载荷对基板作用所产生的爆速,并延迟爆速达到峰值的时间。以数值模拟实验结果为导向,开展了泡沫铝夹芯结构防爆性能的研究,共设计了3组不同结构的泡沫铝夹芯防爆结构,分别进行800gTNT与6kgTNT的爆炸实验。研究表明,泡沫铝防爆结构是由面板以及芯板共同协作才能产生吸能的作用,迎爆面的面板不可太薄,特别是进行爆炸当量较大的实验时,迎爆面板厚度较低会导致强度不足。背爆面板主要是起到了支撑的作用,能够支撑泡沫铝芯板充分变形。通过分析总结经验,经过优化防爆结构,最终设计出一种能够防护6kgTNT炸药当量的泡沫铝防爆结构,实验取得了较为良好的实验结果:防护结构较为完整,迎爆面与背爆面均未出现裂纹,防护基板变形量经测量为106mm。6kgTNT泡沫铝防爆结构的实验遵循北约AEP-55标准进行,对军用汽车底盘的爆炸防护研究具有一定的研究价值。
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