張煜航,武曉東,2,莊大杰,王智鵬,王長武,李國強

(1.中國輻射防護研究院 核應(yīng)急與核安全研究所, 太原 030024;2.太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院, 太原 030024)

0 引言

薄壁球殼結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕、跨度大、承載力高等多種優(yōu)點。故被廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海等交通運輸工具以及機械、化工、建筑等工程領(lǐng)域中。薄壁球殼能夠同時承載薄膜力和彎矩,具有優(yōu)異的力學(xué)性能。早在20世紀60年代,研究者們就開始了對薄壁球殼結(jié)構(gòu)在載荷作用下的動力響應(yīng)及變形特性進行研究。最初的研究始于固支球殼結(jié)構(gòu)受剛性板壓縮的準靜態(tài)分析,如Lekie F A[1]進行了薄壁半球殼的大變形研究,即典型的后屈曲問題。Updike[2-3]用2個剛性版擠壓半球殼,討論了半球殼出現(xiàn)的大變形問題。Gupta[4-7]對準靜態(tài)壓縮和動態(tài)沖擊下的動態(tài)響應(yīng)進行了實驗和數(shù)值模擬研究,實驗中測量了滾動塑性鉸的半徑然后根據(jù)能量吸收理論得到了理論模型,分析了球殼在各種加載形式下的變形形式、壓潰機理、吸能能力和徑厚比對變形模態(tài)的影響。Gupta指出,在落錘加載條件下,薄壁半球殼存在局部壓平、內(nèi)凹形成和內(nèi)凹多邊形的出現(xiàn)3種變形模態(tài),產(chǎn)生不同變形模態(tài)的原因是徑厚比。楊桂通、寧建國等[8-9]研究了球形薄殼在沖擊荷載作用下的超臨界變形及其動態(tài)響應(yīng)。他們注意到,殼體的大變形是載荷作用點周圍形成近似于等距變形的凹陷,并在凹陷的邊緣處薄壁殼開始突然彎曲,出現(xiàn)隆起。并給出了扁球殼中心最大凹陷半徑關(guān)于沖擊荷載的近似表達式。然而以上研究主要集中在準靜態(tài)加載或是動態(tài)加載條件下單個薄壁半球殼的塌陷行為,對于復(fù)合半球殼的動態(tài)加載行為,相關(guān)研究卻并不多見。

近年來結(jié)構(gòu)耐撞性被學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展,對薄殼的抗沖擊和吸能能力要求也隨之增加。結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計需求促生了比吸能大、強度高的材料的出現(xiàn),泡沫鋁作為一種新型多功能吸能材料,具有低密度、高比強、高阻尼、吸聲吸能等特性,在工程界中被廣泛用于結(jié)構(gòu)填充材料,可有效提高結(jié)構(gòu)的承載能力和吸能特性[10-13]。桂良進等[14]對軸向壓縮以及軸向沖擊下泡沫鋁填充圓管的吸能特性進行了研究,系統(tǒng)地分析了結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料參數(shù)、加載速率對吸能的影響,并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。Hou[15-16]通過數(shù)值模擬的方法對泡沫鋁填充方管進行了軸向沖擊的耐撞性研究,并以方管厚度和填充泡沫鋁的相對密度為參數(shù)進行了多目標優(yōu)化。Santosa[17-18]通過實驗和數(shù)值模擬的方法對軸向壓縮下的泡沫鋁填充方管的力學(xué)響應(yīng)進行了研究,在模擬中用動態(tài)顯式分析法模擬準靜態(tài)實驗,所預(yù)測出的變形模式以及壓潰力,與實驗得到的結(jié)果吻合較好。

泡沫金屬材料與傳統(tǒng)的致密金屬組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)性能,常見的泡沫金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)以平板型或圓弧形為主,而在空間飛行器、客機、船舶等裝備的端部區(qū)域(見圖1),為在有限質(zhì)量條件下提高端部區(qū)域的防護性能,采用泡沫鋁填充半球殼結(jié)構(gòu)能夠在保證結(jié)構(gòu)輕量化的同時,提高局部區(qū)域的承載能力、抗變形能力和沖擊吸能等綜合性能。

圖1 泡沫鋁填充半球殼應(yīng)用場景Fig.1 Foam filled thin-walled hemisphere application

然而,上述關(guān)于泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)的研究大多集中在方管或圓管等管類結(jié)構(gòu),對于填充泡沫鋁的薄壁半球殼在動態(tài)加載條件下變形行為卻研究的很少。

本文中在前人對薄壁半球殼和泡沫填充結(jié)構(gòu)分別研究的基礎(chǔ)上,提出一種泡沫填充半球殼結(jié)構(gòu),采用數(shù)值模擬方法研究了該結(jié)構(gòu)在落錘沖擊作用下的變沖擊動力學(xué)行為,系統(tǒng)分析了徑厚比等參量對結(jié)構(gòu)耐撞性和吸能特性的影響,研究了該填充結(jié)構(gòu)的變形模態(tài),為填充半球類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和進一步探究提供參考。

1 有限元模型及驗證

本文中采用有限元軟件LS-DYNA來模擬泡沫填充薄壁半球殼結(jié)構(gòu)在落錘沖擊作用下的變形模態(tài)和吸能特征。半球殼采用各向同性強化的彈塑性不銹鋼材料。泡沫鋁選用LS-DYNA材料庫中材料64#MAT_CRUSHABLE_FOAM材料模型,該模型認為材料各項同性,彈性模量在計算過程中與給定的應(yīng)力/應(yīng)變曲線在彈性階段的斜率一致,沿單一方向壓縮時泊松比為0,拉伸時強化行為與彈性-理想塑性材料相似。材料模型的相關(guān)參數(shù)取值如表1[23-25]所示。相對密度是泡沫鋁的重要參數(shù),是指泡沫鋁密度與鋁基材密度之比,本文中采用3種相對密度(10%,15%和20%)的泡沫鋁準靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為DIFINE_CURVE,如圖2所示[23]。落錘選用剛體單元,采用集中質(zhì)量法賦予剛體質(zhì)量55 kg。半球殼半徑90 mm,采用四邊形shell163單元來模擬,薄壁殼邊界條件為下端固定。泡沫選用四面體solid164單元建模,邊界條件為下端固定。落錘與半球殼間采用surface_to_surface面面接觸,泡沫鋁與半球殼間采用surface_to_surface面面接觸以避免沖擊過程中的相互滲透,薄壁半球殼和泡沫鋁均采用single_surface單面接觸。圖3為有限元網(wǎng)格模型圖。

表1 CURSHABLE_FOAM材料參數(shù)Table 1 Parameters of CURSHABLE_FOAM

圖2 泡沫鋁壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of aluminum foam under compression

圖3 有限元模型網(wǎng)格模型Fig.3 Finite element mesh model

首先驗證有限元模型的有效性。受限于球型泡沫鋁試樣的加工精度,采用圓柱形試樣進行實驗,落錘試驗采用Instron9450型落錘實驗機(見圖4),試樣尺寸與實驗參數(shù)如表2所示。其中試樣1和試樣2為內(nèi)空圓柱殼體,試樣4為泡沫鋁填充圓柱殼體。圓柱形殼體直徑76 mm,長度90 mm,殼體材質(zhì)為304級不銹鋼,其密度7 930 kg/m3,屈服強度220 MPa,彈性模量192 GPa,泊松比0.3。試樣底端用專用夾具與實驗機固定,落錘錘頭為直徑10 mm的圓柱形,錘頭高度30 mm,材質(zhì)為高強度鋼,錘頭形狀如圖4所示。實驗所用泡沫鋁型號為RPML-C1D0.5,為熔體鑄造閉口泡沫鋁,發(fā)泡原材料為1系純鋁,發(fā)泡后泡沫鋁密度0.53～0.54 g/cm3,泡沫鋁孔徑3～5 mm,泡沫鋁試樣形狀與開孔尺寸如圖4所示。

表2 落錘實驗參數(shù)Table 2 Experiment parameters of drop weight test

圖4 落錘沖擊實驗裝置及試樣Fig.4 Drop weight impact testing machine and specimens

內(nèi)空圓柱殼體(試樣1和試樣2)側(cè)向沖擊的試驗與數(shù)值模擬接觸力對比如圖5(a)所示。泡沫鋁填充殼體(試樣4)接觸力對比如圖5(b)所示。數(shù)值模擬與試驗曲線趨勢相同,峰值力基本一致,吻合良好。圖6—圖8分別為試樣1、試樣2和試樣4實驗與數(shù)值模擬變形情況對比。對于內(nèi)空殼體,不銹鋼殼體中心向內(nèi)凹陷,形成與錘頭大小一致的沖擊痕跡,圓柱殼體豎直方向向內(nèi)凹陷,形成沿長度方向的凹痕,凹痕左右凸起,殼體變形沿豎直方向左右對稱。泡沫鋁填充殼體頂部中心區(qū)域受落錘沖擊向內(nèi)凹陷,塑性變形向周圍輻射擴散,殼體變形量明顯小于非填充試樣,未形成沿長度方向的塑性變形。

圖5 圓柱殼側(cè)向沖擊仿真與實驗接觸力時程曲線Fig.5 Impact force comparison of test and simulation results

圖6 試樣1變形模式Fig.6 Deformation mode of specimen 1

圖7 試樣2變形模式Fig.7 Deformation mode of specimen 2

圖8 試樣4變形模式Fig.8 Deformation mode of specimen 4

填充泡沫鋁頂部中心區(qū)域受沖擊作用向內(nèi)壓縮產(chǎn)生凹坑,變形區(qū)域與變形形貌與外殼體基本一致,如圖9所示。落錘沖擊區(qū)域四周由于殼體變形對泡沫鋁形成擠壓,壓縮量由邊緣向沖擊點漸變增大,如圖10所示。仿真計算泡沫鋁變形區(qū)域最大壓縮量7.9 mm,卸載后剩余壓縮量為6.4 mm,實驗測得泡沫鋁壓縮量為6.0 mm,填充泡沫鋁在落錘沖擊下的仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。

圖9 填充泡沫鋁變形結(jié)果Fig.9 The deformation of foam aluminum

圖10 填充泡沫鋁變形時程曲線Fig.10 The time history curves of foam aluminum displacement

有限元模型與實驗結(jié)果在接觸力時程曲線、變形模式以及變形量等方面具有良好的一致性,以此驗證當(dāng)前有限元模型的有效性,在接觸算法、約束條件、材料本構(gòu)不改變的條件下,可用于半球形結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析。

2 對比分析

首先對泡沫填充半球在落錘沖擊作用下的的變形模態(tài)進行數(shù)值模擬,其中,落錘質(zhì)量55 kg,半球殼壁厚1 mm,泡沫鋁相對密度20%。同時對內(nèi)空薄壁半球殼的變形模態(tài)進行模擬作為對比,其中內(nèi)空半球的半徑、壁厚以及加載條件與泡沫填充半球相同。

圖11為內(nèi)空半球殼與泡沫填充半球殼分別在落錘下落高度4 m,半球殼厚度為1 mm的參數(shù)條件下,利用數(shù)值模擬得到的變形圖。同一初速度和落錘質(zhì)量下,內(nèi)空半球響應(yīng)時長為25 ms,泡沫鋁填充半球響應(yīng)時長為11.6 ms。

其中,圖11(a)為內(nèi)空半球變形圖,由圖可知內(nèi)空半球在落錘沖擊作用下經(jīng)過如下幾個階段:局部壓平,向內(nèi)凹陷,凹陷邊緣出現(xiàn)隆起并形成塑性鉸,內(nèi)凹擴大,最后形成多邊形。從應(yīng)力角度分析,應(yīng)力僅開始階段分布于整個受壓區(qū)域,隨后塑性鉸形成的受壓邊緣應(yīng)力逐漸增大,最后在多邊形形成的區(qū)域出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中,由此可知,內(nèi)空半球在加載過程中應(yīng)力分布明顯不均勻,結(jié)構(gòu)利用不充分,有明顯的應(yīng)力集中發(fā)生,并且結(jié)構(gòu)的變形程度較大,不利于承受較大荷載。圖11(b)為泡沫填充半球殼變形圖,其變形階段可分為:局部壓平,沖擊邊緣隆起形成塑性鉸,塑性鉸增大,沖擊區(qū)域壓實。從應(yīng)力角度分析,沖擊初始階段應(yīng)力分布于整個受壓區(qū)域,隨后在塑性鉸的產(chǎn)生、發(fā)展至成型過程中,應(yīng)力在塑性鉸處均勻分布。與內(nèi)空半球殼相比,泡沫填充半球向內(nèi)凹陷幅度小,與落錘的沖擊接觸區(qū)域受力更加均勻,能夠充分利用外殼材質(zhì)的塑性變形能力,形成和發(fā)展塑性鉸,降低變形量。

圖12給出了泡沫填充半球殼與內(nèi)空半球殼的接觸力、動能以及頂點位移時程曲線。其中圖12(a)為碰撞力-時間曲線圖,由圖可知,泡沫填充半球殼產(chǎn)生的接觸力明顯大于內(nèi)空半球殼,時間歷程短于內(nèi)空半球殼,沖擊能量很快被吸收。泡沫填充半球的接觸力曲線出現(xiàn)2個極值點。錘頭接觸球殼后,球殼與錘頭接觸范圍內(nèi)壓平,隨后出現(xiàn)塑性鉸,塑性鉸區(qū)域剛度降低,故接觸力先增大后減小;塑性鉸發(fā)展至一定階段后,球殼整體被壓縮,填充區(qū)域壓實,接觸力上升至錘頭速度為0。圖12(b)給出了2種結(jié)構(gòu)殼體內(nèi)能的吸收曲線,對于內(nèi)空半球結(jié)構(gòu),殼體的塑性變形吸收了絕大部分的沖擊能量,約占總沖擊能量的98.6%;泡沫填充半球結(jié)構(gòu)的沖擊能量,一部分由殼體塑性變形吸收,約占總沖擊能量的40.07%,另一部分由填充材料的塑性變形吸收,約占總沖擊能量的56.68%。圖12(c)對比了2種結(jié)構(gòu)在沖擊過程中半球殼最高點的頂點位移。內(nèi)空半球殼形成塑性鉸后發(fā)生內(nèi)凹,頂點位移大并且長時程,卸載后位移幾乎無恢復(fù);泡沫填充半球結(jié)構(gòu)頂點位移約為內(nèi)空半球的1/3,卸載后頂點位移有約2 mm的恢復(fù)。說明泡沫填充結(jié)構(gòu)在控制結(jié)構(gòu)變形方面效果十分明顯。

圖12 泡沫填充半球殼與內(nèi)空半球殼吸能特性曲線Fig.12 Comparison of crashworthiness performance between foam-filled hemisphere and hollow hemisphere

3 討論

3.1 徑厚比的影響

給出徑厚比公式R=D/T,其中:R為徑厚比;D為半球殼直徑;T為半球殼厚度。為了研究徑厚比對泡沫填充半球殼吸能性能的影響,分別取薄壁殼厚度為0.8、1.4、2.0、2.6 mm,泡沫鋁相對密度為20%,在相同落錘質(zhì)量55 kg,下落高度5 m的條件下進行數(shù)值模擬。得到每種厚度下碰撞力、泡沫鋁內(nèi)能和頂點位移的時間歷程曲線如圖13所示。

圖13 不同徑厚比泡沫填充半球殼吸能特性曲線Fig.13 Comparison of crashworthiness performance with different diameters to wall thickness ratios

圖13(a)給出了不同半球殼厚度下碰撞力-時間曲線圖。4種厚度的時程曲線均有2個極值點,殼體越厚,承載能力越強,首個極值點越高,而極值點對應(yīng)的時刻基本一致,表明在此階段主要抵抗沖擊的部分為金屬殼體。圖13(b)為填充泡沫鋁內(nèi)能隨時間變化的能量吸收曲線。填充泡沫鋁的能量吸收經(jīng)歷了線性上升和彈性恢復(fù)階段,最后保持定值。由于4種厚度填充半球的加載條件一致,故總能量相同,泡沫鋁吸能隨殼體厚度的增加而減少。外殼體壁厚為0.8 mm時,泡沫鋁內(nèi)能為1 840 J,占沖擊總能量的71.07%,壁厚為2.6 mm時,泡沫鋁內(nèi)能為622 J,占沖擊總能量的24.09%。圖13(c)為5種厚度下的頂點位移曲線,殼體厚度越大,頂點位移越小,時間歷程也越短,在能量一定的情況下,承載能力也越強。隨著殼體厚度的減小,其頂點恢復(fù)位移越大,位移恢復(fù)能力呈現(xiàn)隨厚度增加呈現(xiàn)遞減的趨勢。圖中Δt的值分別為2.74、1.06 、0.826和0.802 mm。

3.2 泡沫相對密度的影響

鋁的密度取2 700 kg/m3,取相對密度分別為10%、15%和20%,從而泡沫鋁密度分別為270 、405 和540 kg/m3。在相同落錘質(zhì)量55 kg,落錘下落距離4 m,半球殼壁厚1 mm的條件下進行數(shù)值模擬,得到的結(jié)果如圖14所示。

圖14 不同泡沫相對密度填充半球殼吸能特性曲線Fig.14 Comparison of crashworthiness performance with different relative densities of aluminum foam

圖14(a)為不同泡沫鋁相對密度的碰撞力-時間曲線,從中可以看出,提高泡沫鋁的密度可以提高結(jié)構(gòu)的承載力峰值,減少沖擊時程。圖14(b)為填充泡沫鋁的能量吸收曲線。能量吸收能力總體隨泡沫鋁相對密度增大而增大。但在總能量一定的前提下,相對密度由10%～15%的能量吸收差值明顯大于15%～20%。10%、15%和20%的泡沫鋁相對密度最終內(nèi)能分別為910、1 163和1 225 J,差值分別為253 J和63 J。計算得到10%～20%相對密度的泡沫鋁吸收內(nèi)能占總能量的比例分別為44.2%,56%和59.1%。表明泡沫鋁能量吸收能力可能存在上限值。圖14(c)為不同泡沫鋁相對密度下的頂點位移時程曲線,頂點位移體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗變形能力,填充泡沫鋁相對密度越高,承載能力提高,相應(yīng)頂點位移降低,球殼向內(nèi)凹陷程度越小。

3.3 不同加載初速度的影響

為了探討不同沖擊速度產(chǎn)生的吸能影響,選取5種落錘下落高度,分別為1、2、3、4和5 m,對應(yīng)沖擊初速度分別為:4.43、6.26、7.67、8.85和9.90 m/s。在落錘質(zhì)量55 kg,半球殼壁厚1 mm,填充泡沫鋁相對密度15%的條件下進行數(shù)值模擬,結(jié)果如圖15所示。

圖15 不同加載初速度下填充半球殼吸能特性曲線Fig.15 Comparison of crashworthiness performance with different initial velocities

圖15(a)所示的是不同加載初速度下接觸力時程曲線,不同落錘下落高度對于抗沖擊結(jié)構(gòu)而言意味著不同沖擊能量。圖15(a)中接觸力曲線第一個極值點基本一致,表明第一個極值點是在形成塑性鉸階段,與結(jié)構(gòu)整體剛度和塑性變形能力有關(guān),與沖擊能量無關(guān)。接觸時程曲線第二個極值主要與填充材料的抵抗變形能力,載荷越大,泡沫鋁壓縮量增大,越容易壓實,相應(yīng)接觸力隨泡沫鋁壓實程度增加而提高。圖15(b)為殼體和泡沫鋁吸能占比柱狀圖,落錘沖擊能量較低時,殼體吸能比重高于填充泡沫鋁,隨著沖擊載荷增加,殼體吸能比重降低,填充泡沫鋁比重上升,落錘下落速度為7.67 m/s后,填充材料吸能比重高于殼體。圖15(c)所示不同落錘下落高度下頂點位移隨時間的變化曲線?？梢钥闯?初速度越大,沖擊載荷能量越高,結(jié)構(gòu)需要更長的時間以及更大的變形抵消沖擊能量,頂點位移也就越大。

圖16給出了落錘下落高度1 m(沖擊初速度4.43 m/s)時3種填充泡沫鋁相對密度的變形模態(tài)。相對密度為10%時,不銹鋼殼體向外隆起形成塑性鉸,塑性鉸直徑與落錘直徑一致,落錘區(qū)域向內(nèi)凹陷,且在凹陷區(qū)域內(nèi)由塑性鉸內(nèi)邊緣向球殼中心匯集形成4條對稱凹痕,凹痕周圍外凸,并在凹痕與塑性鉸交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中。在沖擊能量不變的條件下,提高泡沫鋁相對密度,凹陷深度逐漸減小,凹陷區(qū)域內(nèi)4條凹痕逐漸變淺,但交界處仍存在應(yīng)力集中。泡沫鋁相對密度20%時,塑性鉸仍存在,但塑性鉸內(nèi)區(qū)域趨于平坦,無凹痕與應(yīng)力集中產(chǎn)生。

圖16 沖擊速度4.43 m/s時不同泡沫鋁相對密度下半球結(jié)構(gòu)變形模態(tài)圖Fig.16 Comparison of deformation modes with different relative densities

圖17給出了落錘下落高度5 m(沖擊初速度9.90 m/s)時3種填充泡沫鋁相對密度的變形模態(tài)。相對密度為10%時,殼體向內(nèi)凹陷形成塑性鉸,并出現(xiàn)與錘頭直徑等長的凹坑,凹坑內(nèi)變形模式與圖16(a)一致,存在4條對稱凹痕。凹坑與塑性鉸的連接區(qū)域形成與圖11(a)中形狀相近的八邊形凹痕,但由于內(nèi)部泡沫鋁的能量吸收和填充作用,八邊形凹痕淺而平滑。隨著泡沫鋁相對密度的增加,八邊形凹痕消失,塑性鉸逐漸趨于平滑,凹陷區(qū)域趨于平坦,內(nèi)部無凹痕與應(yīng)力集中。

圖17 沖擊速度9.90 m/s時不同泡沫鋁相對密度下半球結(jié)構(gòu)變形模態(tài)圖Fig.17 Comparison of deformation modes with different relative densities

綜合分析前述不同徑厚比、泡沫鋁相對密度以及加載初速度等不同參數(shù)條件下的變形模式,將泡沫鋁填充半球在平頭落錘沖擊載荷下的變形模式總結(jié)歸納為4種。模式一,殼體邊緣隆起,沖擊區(qū)域產(chǎn)生4條對稱分布的凹痕,如圖18(a)所示;模式二,殼體邊緣隆起,沖擊區(qū)域壓平,與落錘錘頭形狀一致,如圖18(b)所示。模式三,殼體向內(nèi)凹陷形成八邊形塑性鉸,與內(nèi)空半球塑性鉸形狀一致,沖擊區(qū)域產(chǎn)生四條對稱分布的凹痕,如圖18(c)所示。模式四,殼體向內(nèi)凹陷形成平整塑性鉸,沖擊區(qū)域壓平,與落錘錘頭形狀一致,如圖18(d)所示。

圖18 平頭落錘沖擊載荷下泡沫鋁填充半球4種典型變形模態(tài)Fig.18 Four deformation modes of foam filled thin-walled hemisphere

4 結(jié)論

本文對泡沫鋁填充薄壁半球殼結(jié)構(gòu)在落錘沖擊作用下的力學(xué)行為進行了研究,得到該結(jié)構(gòu)的變形模態(tài)和吸能特性,同時分析了徑厚比、泡沫密度以及加載初速度對該結(jié)構(gòu)吸能特性的影響,得到了以下結(jié)論:

1) 相同加載條件下,泡沫鋁填充半球殼比內(nèi)空半球殼抵抗變形能力強,受力更加均勻,能夠充分利用外殼材質(zhì)的塑性變形能力,形成和發(fā)展塑性鉸,降低變形量。泡沫填充半球殼具有良好的吸能性能,能夠在更短時間內(nèi)可以吸收較內(nèi)空半球相同的能量。

2) 沖擊載荷下泡沫鋁填充半球結(jié)構(gòu)的接觸力時程曲線存在2個極值點,首個極值點出現(xiàn)在殼體塑性鉸形成階段,極值點大小與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。第二個極值點出現(xiàn)在內(nèi)凹階段,極值點大小與填充材料的抗壓縮能力有關(guān)。

3) 沖擊載荷下泡沫鋁填充半球結(jié)構(gòu)的主要變形模式與沖擊能量和填充泡沫鋁密度有關(guān),主要有4種變形模態(tài):模式一,殼體邊緣隆起,沖擊區(qū)域產(chǎn)生四條對稱分布的凹痕;模式二,殼體邊緣隆起,沖擊區(qū)域壓平,模式三,殼體向內(nèi)凹陷形成八邊形塑性鉸,沖擊區(qū)域產(chǎn)生4條對稱分布的凹痕,模式四,殼體向內(nèi)凹陷形成平整塑性鉸,沖擊區(qū)域壓平。

泡沫填充半球結(jié)構(gòu)結(jié)合了球形結(jié)構(gòu)和泡沫材料的優(yōu)點,是一種具有很大潛力的防護結(jié)構(gòu)。本文從接觸力、能量吸收以及變形模態(tài)等方面研究了泡沫鋁填充半球結(jié)構(gòu)在落錘沖擊載荷作用下的抗沖擊性能,為今后球形填充結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、強動載荷下的試驗和數(shù)值模擬研究提供參考。