【摘 要】
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防护头盔缓冲衬垫是作战防护头盔的重要组成部分,一般由发泡聚合物材料组成,利用其低屈服平台应力、大压实应变和优良的缓冲吸能性能实现对爆炸波、高速撞击所产生的应力波等毁伤元的衰减和耗散,从而对人员颅脑组织形成有效保护。但目前发泡聚合物在冲击荷载下的大变形动态力学性能和本构模型研究还较为薄弱,更多研究集中于准静态和中高应变率加载,这对于研究作战头盔对爆炸近区冲击波、弹丸高速冲击等防护效能是远远不够的。在
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防护头盔缓冲衬垫是作战防护头盔的重要组成部分,一般由发泡聚合物材料组成,利用其低屈服平台应力、大压实应变和优良的缓冲吸能性能实现对爆炸波、高速撞击所产生的应力波等毁伤元的衰减和耗散,从而对人员颅脑组织形成有效保护。但目前发泡聚合物在冲击荷载下的大变形动态力学性能和本构模型研究还较为薄弱,更多研究集中于准静态和中高应变率加载,这对于研究作战头盔对爆炸近区冲击波、弹丸高速冲击等防护效能是远远不够的。在此背景下,本论文主要开展了以下研究:首先开展了三种不同密度（23.80 kg/m~3、35.46 kg/m~3和63.64 kg/m~3）的发泡聚丙烯（EPP）在10-5s-1、10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1、10-1s-1等5种应变率下准静态压缩试验,获得了应力-应变曲线,建立了弹性模量、屈服应力、压实应变以及吸能效率等主要力学性能参数并建立了经验方程。分析了应变率和相对密度对材料准静态压缩后回弹性能的影响。开展了发泡聚丙烯大应变（最大工程应变＞80%）SHPB冲击试验。设计加工了超长SHPB设备和波形整形,实现了单脉冲加载能达到压实阶段的冲击试验,获取了在应变率为1000 s-1时全应力应变曲线和屈服平台应力、压实应变和吸能效率等参数,建立了综合考虑了应变率和相对密度影响的经验方程,建立了广应变率域(10-5s-1-10~3s-1)范围的唯像本构模型。对DYNA软件常用泡沫材料本构模型进行了分析,结合试验研究,选择了MAT57号材料模型（LOW＿DENSITY＿FOAM）作为泡沫聚丙烯材料的本构模型,开展了SHPB冲击试验模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。开展了发泡聚丙烯材料被动围压SHPB试验研究,获取了被动围压的本构关系,研究结果表明,高应变率下发泡聚丙烯材料具有压力效应,围压能有效提高其轴向强度。开展了被动围压SHPB试验的数值仿真,仿真结果也证明了此结论。最后,开展发泡聚丙烯板抗爆炸波缓冲吸能试验研究,测量了发泡聚丙烯板的迎爆面和背爆面的冲击波压力,获取了一维应变条件下发泡聚丙烯材料的缓冲吸能特性,为防爆头盔设计提供了技术参考。
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