随着北极航道的开发和极地资源的勘采,极地船舶与冰相互作用及结构抗冰碰性能问题愈来愈引起人们的关注。多孔金属夹芯结构以其优良的力学性能,广泛应用于结构轻量化与碰撞冲击防护领域。本文以极地船舶结构安全与轻量化为研究目标,结合实验与数值仿真方法,对冰碰载荷下船用泡沫铝夹层板的动态响应进行了研究,对比分析了冰体碰撞和刚体碰撞对泡沫铝夹层板动态响应的差异,阐明了冰体破碎对泡沫铝夹层板能量吸收的影响,揭示了碰撞动能和碰撞动量对泡沫铝夹层板动态响应与能量吸收的影响规律。本文主要研究内容及结论如下:(1)利用万能试验机进行了泡沫铝材料准静态压缩实验和铝板准静态拉伸实验,得到了面板和芯层材料的准静态力学性能;制作冰材料试样,进行了不同高度的圆柱冰的准静态压缩实验,结果表明,泡沫铝的压缩应力-应变曲线中有一段很长的应力平台,可承受较大的塑性变形;淡水冰压缩强度较弱,在横截面积一定的情况下,冰试件表现出来的峰值压缩强度随着圆柱冰高度的增加而增加。(2)介绍了船用泡沫铝夹层板和楔形冰的制备过程,并利用水平冲击试验机进行了泡沫铝夹层板-楔形冰和等效钢板-楔形冰碰撞实验,测量了变形、碰撞速度、加速度以及楔形冰破碎情况等实验数据。对比分析了泡沫铝夹层板和等效钢板的变形情况以及冰体破碎情况。结果表明,相比等效船体钢板,泡沫铝夹层板具有更优良的抗冰碰性能。(3)利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA对船用泡沫铝夹层板-楔形冰碰撞过程进行了数值模拟。将数值结果与实验结果进行比较,验证了冰材料模型及数值仿真方法的可靠性。在此基础上,研究了冰体碰撞和刚体碰撞对泡沫铝夹层板结构动态响应的差异以及冰体破碎对泡沫铝夹层板能量吸收的影响。研究结果表明,泡沫铝夹层板变形模式、变形大小和碰撞力在冰体碰撞和刚体碰撞下存在差异;冰体破碎影响了泡沫铝夹层板各个组分吸收能量的大小和比例;冰体破碎会耗散大部分碰撞能量,从而使得泡沫铝夹层板吸收的能量和产生的塑性变形都较刚体碰撞要少。(4)利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA对楔形冰碰撞下船用泡沫铝夹层板的动态响应进行了参数研究,揭示了碰撞动能和碰撞动量对泡沫铝夹层板结构动态响应与能量吸收的影响规律。研究结果表明,冰碰撞载荷作用下的泡沫铝夹层板变形主要取决于碰撞动能;固定碰撞动量,泡沫铝芯层的吸能比随着碰撞动能的增加而增加;固定碰撞动能,泡沫铝芯层的吸能比随着碰撞动量的增加而减少。