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冲击载荷下聚氨酯钢复合结构动态响应研究
摘要
聚氨酯弹性体(polyurethane，PU)具有优异的力学性能，广泛应用于抗冲击防爆领域
的轻量化设计。本文基于PU-钢复合结构，结合试验与数值仿真，探究不同硬段含量PU
以及多种复合结构形式在不同冲击载荷下的动态响应特性，主要研究内容如下：
采用预聚体法制备了五种硬段含量的PU弹性体并对其进行了准静态加载下的拉伸
与压缩力学性能测试，讨论了硬段含量对PU的硬度、拉伸和压缩强度、断裂伸长率以
及应力应变响应特征的影响规律。通过动态热分析(DMA)，测试了低、中、高三种硬段
含量PU(LPU\MPU\HPU)的玻璃化转变温度，并对其进行了低温下的准静态拉伸与压缩
测试，结果显示，PU的玻璃化转变温度与硬段含量成正比，低温下聚氨酯的拉伸与压
缩模量均大幅提高。基于霍普金森杆装置，对三种硬段含量PU进行了高应变率下的动
态压缩与拉伸试验，结果表明三种PU均具有明显的应变率相关性，并且应力应变响应
特性与低温准静态力学响应相似。
基于三种硬段含量PU在不同应变率下的应力应变响应，建立了其在压缩和拉伸条
件下的率相关本构模型。建立了粘-超弹性本构模型拟合压缩响应，其中超弹部分采用三
阶M-R模型具有最佳的拟合效果，对拉伸响应采用塑性流动本构模型进行拟合。结果
表明，两种模型能够较好地表征PU在大应变率范围内的压缩与拉伸响应。
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采用一体浇筑方法制备PU-钢复合结构，面密度均为1.1g/cm。通过落锤穿刺试验
探究复合结构在低速低温冲击下的动态响应。结果表明：常温下加入PU涂层后，钢板
的穿孔能量提高，MPU与HPU的抗冲击效果相当且均强于LPU；在低温(-20℃)下，穿
孔能量进一步提高。针对PU-钢复合结构在高速冲击载荷下的动态响应进行了球形弹丸
的侵彻试验，探究不同PU硬段含量以及复合结构形式对弹道性能的影响，并验证了基
于LS-DYNA的仿真模型正确性，结合试验与仿真结果讨论了不同复合结构形式的损伤
机理和能量吸收特性，结果表明，MPU多层结构具有最佳的弹道性能，弹道极限速度为
191.4m/s。通过进一步细化分层发现复合结构的弹道性能随着分层数的增加先提高后降
低。
设计以水为介质模拟均布脉冲加载试验，结合仿真开展对不同硬段含量PU以及不
同结构形式的PU-钢复合结构进行冲击波载荷下的动态响应研究，结果表明HPU夹层
结构具有最佳的抗脉冲载荷效果。通过仿真进一步探究夹层结构上下面板配比对抗冲击
性能的影响，结果表明随着夹层结构上面板厚度的增加，下面板的挠度先降低后增加，
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哈尔滨工程大学硕士学位论文
当上下面板厚度相同时，夹层结构具有最佳的抗冲击性能。在此基础上，建立了近地空
爆载荷下PU-钢夹层结构数值仿真模型，讨论了在不同炸药起爆点以及炸药形状下PU-
钢夹层结构的冲击动力学响应特性。
关键词：聚氨酯，复合结构，粘超弹性本构模型，冲击响应，数值仿真
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冲击载荷下聚氨酯钢复合结构动态响应研究
ABSTRACT
Polyurethaneelastomer(PU)hasexcellentmechanicalpropertiesandiswidelyusedin
lightweightdesigninthefieldofimpactandexplosionresistance.BasedonPU-steelcomposite
structure,combinedwithtest